毕业设计 2万m3h合成氨变换气脱碳工段脱碳塔设计

太原科技大学

毕 业 设 计（论 文）

设计(论文)题目：2万m3/h合成氨变换气脱碳工段

脱碳塔设计

（需要CAD及图纸的联系我qq：893041213）

姓 名 学院（系） 专 业 年 级 指导教师

2013年 6 月 5 日

太原科技大学毕业设计（论文）任务书

毕业设计（论文）题目：

2万m3/h合成氨变换气脱碳工段脱碳塔设计 毕业设计（论文）要求及原始数据（资料）： 一、毕业设计要求：

1.使用国家最新压力容器标准、规范进行设计，掌握典型过程装备设计的全过程。 2.广泛查阅和综合分析各种文献资料，进行设计方法和设计方案的可行性研究和论证。 3.设计计算以手算、电算相结合，要求设计思路清晰，计算数据准确、可靠，且正确掌握计算机操作和专业软件的使用。

4.工程图纸以计算机绘图为主，并附以手工绘制。 5． 毕业设计全部工作由设计者独立完成。 二、原始数据： 变换气组成 组分 CO2 CO 2.02 H2 52.3 N2 16.9 CH4 0.29 Ar 0.19

入脱碳塔变换气量，G0 =20000 m3/h 脱碳塔操作压力，1.4MPa(表) 脱碳塔操作温度，t1=40 ℃ 其他参数根据工业实际自选 设计目标： 变换气中CO2≤0.38%。 毕业设计(论文)主要内容： 1. 明确设计任务，查阅文献资料；

2.通过技术及经济筛选、对比，选定设计方案； 3．工艺设计及计算

4.结构设计及度和稳定性计算计算 5 绘制塔总装配图及零部件图 6 编制设计说明书

%（体积） 28.3 太原科技大学毕业设计（论文）

目录

摘要 ............................................................................................................................................... IV Abstract .......................................................................................................................................... V 第1章 合成氨的概述 ............................................................................................................ - 1 -

1.1 氨的发现与制取 ......................................................................................................... - 1 - 1.2 氨的用途 ..................................................................................................................... - 1 - 1.3 我国合成氨工业的发展情况 ..................................................................................... - 1 - 1.4 合成氨生产的典型流程 ............................................................................................. - 2 - 1.5 脱碳在合成氨中的作用和地位 ................................................................................. - 4 - 第2章 碳酸丙烯酯（PC）法脱碳工艺 ............................................................................... - 5 -

2.1 PC法脱碳技术国内外现状 ....................................................................................... - 5 - 2.2 发展过程 ..................................................................................................................... - 5 - 2.3 工艺流程 ..................................................................................................................... - 5 - 第3章 填料塔的工艺计算 .................................................................................................... - 9 -

3.1 物性数据 ..................................................................................................................... - 9 -

3.1.1 PC的密度与温度的关系 ................................................................................ - 9 - 3.1.2 CO2在PC中的溶解度关系 ........................................................................... - 9 - 3.1.3 PC的蒸汽压 .................................................................................................. - 10 - 3.1.4 PC的粘度 ...................................................................................................... - 10 - 3.2 物料衡算 ................................................................................................................... - 10 -

3.2.1 各组分在PC中的溶解量 ............................................................................. - 10 - 3.2.2 溶剂夹带量 .................................................................................................... - 11 - 3.2.3 溶液带出的气量 ............................................................................................ - 11 - 3.2.4 出脱碳塔净化气量 ........................................................................................ - 11 - 3.2.5 计算PC循环量 ............................................................................................. - 11 - 3.2.6 带出气体的质量流量 .................................................................................... - 12 - 3.2.7 验算净化气中CO2含量 ............................................................................... - 12 - 3.2.8 出塔气体的组成 ............................................................................................ - 12 -

I

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第4章 填料塔的结构设计 .................................................................................................. - 14 -

4.1 确定吸收塔塔径及相关参数 ................................................................................... - 14 -

4.1.1 求取泛点气速和操作气速 ............................................................................ - 14 - 4.1.2 求取塔径 ........................................................................................................ - 14 - 4.1.3 核算操作气速 ................................................................................................ - 15 - 4.1.4 核算径比 ........................................................................................................ - 15 - 4.2 填料层高度计算 ....................................................................................................... - 15 - 4.3 填料层压降计算 ....................................................................................................... - 16 - 4.4 设备厚度计算 ........................................................................................................... - 16 -

4.4.1 圆筒的厚度 .................................................................................................... - 16 - 4.4.2 封头的厚度 .................................................................................................... - 17 - 4.5 塔设备的选取 ........................................................................................................... - 17 -

4.5.1 液体分布器 .................................................................................................... - 17 - 4.5.2 填料支承装置 ................................................................................................ - 18 - 4.5.3 除沫器 ............................................................................................................ - 19 - 4.5.4 填料压板 ........................................................................................................ - 20 - 4.5.5 封头 ................................................................................................................ - 20 - 4.5.6 裙座 ................................................................................................................ - 20 - 4.5.7 人孔 ................................................................................................................ - 21 - 4.5.8 填料塔气液的进出口管 ................................................................................ - 22 - 4.5.9 法兰的选择 .................................................................................................... - 23 - 4.5.10 吊住 .............................................................................................................. - 24 -

第5章 塔的强度设计与校核 .............................................................................................. - 26 -

5.1 塔的总高度 ............................................................................................................... - 26 - 5.2 塔设备质量载荷计算 ............................................................................................... - 26 - 5.3 塔的固有周期 ........................................................................................................... - 27 - 5.4 风载荷和风弯矩计算 ............................................................................................... - 28 -

5.4.1 风载荷的计算 ................................................................................................ - 28 - 5.4.2 风弯矩计算 .................................................................................................... - 29 -

II

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5.5 地震载荷 ................................................................................................................... - 30 -

5.5.1 确定塔设备的危险截面 ................................................................................ - 30 - 5.5.2 地震弯矩 ........................................................................................................ - 30 - 5.6 最大弯矩 ................................................................................................................... - 31 - 5.7 基础环的设计 ........................................................................................................... - 31 -

5.7.1 基础环尺寸 .................................................................................................... - 31 - 5.7.2 基础环尺寸的应力校核 ................................................................................ - 31 - 5.7.3 基础环厚度 .................................................................................................... - 32 - 5.8 地脚螺栓计算 ........................................................................................................... - 33 -

5.8.1 地脚螺栓承受的最大拉应力 ........................................................................ - 33 - 5.8.2 地脚螺栓直径 ................................................................................................ - 33 - 5.9 塔设备校核 ............................................................................................................... - 33 - 参考文献 .................................................................................................................................. - 44 - 致谢 .......................................................................................................................................... - 45 - 翻译部分 .................................................................................................................................. - 46 -

英文原文 .......................................................................................................................... - 46 - 中文翻译 .......................................................................................................................... - 53 -

III

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2万m3/h合成氨变换气脱碳工段脱碳塔设计

摘要

氨的用途很广，在国民生产中具有举足轻重的地位。在合成氨的过程中，经变换后的合成气含有较多的二氧化碳，如不将其清除，在合成氨生产时二氧化碳会使合成氨催化剂中毒。此外，二氧化碳是制造尿素、纯碱、碳酸氢铵等的重要原料，二氧化碳的脱除和回收利用是脱碳过程的双重任务，也在合成氨中占有较重要的地位。

本课题是2万m/h合成氨变换气脱碳工段脱碳塔设计。设计的目的是为了寻找出一套合理的脱碳工艺，获得纯度较高的净化气，提高二氧化碳的回收率，简化流程，降低能耗，达到较高的经济效益指标。设计内容主要包括生产工艺的确定，物料衡算，设备的选型与设计和管道尺寸设计以及绘制一张主体设备结构图和三张零件图。

3

关键词：碳酸丙烯酯法，二氧化碳，工艺设计

IV

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20000 m3/h of ammonia gas decarbonization section

decarbonization transform tower design

Abstract

Ammonia is widely used in the national product has a pivotal position. In the ammonia process, after the transformation of the synthesis gas contains more carbon dioxide, if not to be cleared, the ammonia production of carbon dioxide causes the ammonia catalyst poisoning. Additionally, carbon dioxide is manufactured urea, soda ash, ammonium bicarbonate and other important raw materials, carbon dioxide removal and recycling is the dual task of decarbonization process, but also ammonia plays more important role.

This topic is 20000 m3 / h ammonia shift gas decarbonization section decarbonization tower design. The purpose of the design is to find out a reasonable decarburization process, to obtain high purity purge gas, to improve the recovery of carbon dioxide, to simplify processes, reduce energy consumption, to achieve higher efficiency indicators. Design mainly includes the determination of the production process, material balance, equipment selection and design and design and draw a pipe size charts and three main equipment parts diagram.

Keywords: Propylene carbonate france, Carbon dioxide, Process design

V

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第1章 合成氨的概述

1.1 氨的发现与制取

氨是1754年由J.普里斯特利在加热氯化铵和石灰混合物时发现的，1784年C.L.伯托利确定氨由氢和氮组成。

19世纪中叶，炼焦工业兴起，生产焦炭过程中制得了氨。煤中的氮约有20%～25%转化为氨，煤气中氨含量为8～11g/m3，因而可从副产焦炉气中回收氨。但这样回收的氨量不能满足需要，促使人们研究将空气中的游离态氮变成氨的方法，20世纪初先后实现了氰化法和直接合成法制氨的工业方法。

1.2 氨的用途

氨是重要的无机化工产品之一，在国民经济中占有重要地位。除液氨可直接作为肥料外，农业上使用的氮肥，例如尿素、硝酸铵、磷酸铵、硫酸铵、氯化铵、氯水以及各种含氮混肥和复肥，都是以氨作为原料的。合成氨是大宗化工产品之一，世界每年合成氨产量已达到1亿吨以上，其中约有80%的氨用来生产化学肥料，20%作为其它化工产品的原料。

氨在工业上主要用来制造炸药和各种化学纤维及塑料。从氨可以制得硝酸，进而再制造硝酸铵、硝化甘油、硝基纤维素等。在化纤和塑料工业中，则以氨、硝酸和尿素等作为氮源，生产己二胺、人造丝等产品。

氨的其它工业用途也十分广泛，例如，用作制冰、空调等系统的制冷济，在冶金工业中用来提炼矿石中的铜等金属，在医药和生物化学方面用作生产磺胺类药物、维生素、蛋氨酸和其它氨基酸等等。所以说合成氨在国民经济中占有十分重要的地位。

1.3 我国合成氨工业的发展情况

解放前我国只有两家规模不大的合成氨厂，解放后合成氨工业有了迅速发展。1949年全国氮肥产量仅0.6万吨，而1982年达到1021.9万吨，成为世界上产量最高的国家之一。近几年来，我国引进了一批年产30万吨氮肥的大型化肥厂设备。我国自行设计和建造的上海吴泾化工厂也是年产30万吨氮肥的大型化肥厂。这些化肥厂以天然气、石油、炼油气等为原料，生产中能量损耗低、产量高，技术和设备都很先进。

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1.4 合成氨生产的典型流程

目前企业大多采用直接合成氨法生产氨，即根据化学反应式N2+3H2=2NH3来设计工艺。它除了水电解法以外，不管用什么原料得到的粗原料气中都含有硫化合物、一氧化碳、二氧化碳等，而这些不纯物都是氨合成催化剂的毒物。因此，在把粗原料气送去氨合成以前，需要把这些杂质除去。这样氨合成生产的原料气过程就包括下述主要步骤。

一是造气：即制备含有氢、氮和一氧化碳的粗原料气。

二是净化：采用适当的方法除去原料气中氢、氮以外的杂质。主要包括变换过程、脱硫脱碳过程以及气体精制过程。

三是压缩和合成：将纯净的氮、氢混合气体压缩到高压，在铁催化剂与高温条件下合成氨。

由于我国煤炭目前储存量还比较多，所以本设计采用以煤炭为原料来制取合成氨的粗原料气。以煤炭为原料制取粗原料气合成氨的流程是采用间歇的流化床气化法生产半水煤气，经过变换，脱碳，铜氨液除少量二氧化碳、一氧化碳等净化步骤后可获得合格的氮氢混合物，然后在铁催化剂存在和适当的温度、压力条件下合成氨。

其典型过程如图1.1。

空气焦炭或煤蒸汽造气除尘脱硫CO变换脱除CO2压缩脱除CO合成氨

图1.1 合成氨典型流程

下面从合成原料气的三个步骤详细论述：

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（1）造气：因为空气中含有71%的氮气，目前已经有很多的技术从空气中分离出满足上述反应的氮气，所以造气就是提供维持该反应的氢气的过程。最早的造气光阴就是将煤或焦碳在高温下与水反应生成水煤气或半水煤气，这种混合气体就是原料气。这种工艺在二十世纪前半期一直是主流造气工艺，而且一直沿用至今。二十世纪六十年代出现了以天然气、石油重油、石脑油等新的造气原料。由于天然气、油田气、石油这样的原料可以用管道输送，其设施投资成本比固态原料设施要低很多，所以该工艺自发明以来就逐渐取代了煤炭造气工艺。但从目前能源的储量、开采和消耗走势来看，煤炭造气可能要重新被重视。

（2）净化粗合成气：主要是对合成气中的硫化物、碳的氧化物等有害杂质进行脱除的过程。对于半水煤气，主要含无机硫（H2S），有机硫包括硫氧化碳（COS），二氧化硫（CS2），硫醇（RSH），硫醚（RSR），噻吩（C4H4S）等；天然气中主要是无机硫（H2S）。天然气、石油重油、石脑油等中的硫化物的含量因产地不同而不同。但是这些硫化物不但使产品不纯净，更重要的是它们对设备有极强烈的腐蚀作用，而且特别容易使催化剂中毒失活。脱硫的方法归纳起来分湿法和干法两类。湿法包括物理法、化学法、物理-化学法三种，但湿法脱硫精度不及干法。干法脱硫适合脱出低量或微量，其也有物理吸附和化学吸附之分。通常干法脱硫装置设备庞大复杂。脱碳是净化合成气的另有个重要步骤，因为任何方法制取的原料气都含有CO和一定量的CO2，其体积分数一般为12%~40%。而CO在生产过程中还可能被氧化为CO2，而在后续工段中CO2容易使催化剂中毒，容易在某些低温工段固化成干冰堵塞管道设备，在甲烷化过程中还会消耗大量H2生成无用气体CH4。而对CO2加以回收可以在尿素、碳酸氢铵等产品的生产中利用。可见脱碳的意义是十分重大的。因为本设计的题目就是合成氨脱碳工段的工艺设计，所以不在此对其赘述，在后面有对脱碳工段的详细介绍。总的说来，对于粗合成气的净化是系统而且复杂的工作，它不仅关系产品质量，也对生产中能量的综合利用，环境的保护有重要的影响。脱硫脱碳后还需要对原料气进行最终净化，将原料气中少量的CO和CO2除去，使其总量不超过10cm3/m3。最终净化有铜氨液吸收法、深冷分离法和甲烷化法。

（3）氨的合成：将纯净的氢、氨混合气压缩到高压，在催化剂的作用下合成氨。氨的合成是提供液氨产品的工序，是合成氨生产过程的核心部分。氨合成反应在较高压力

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和催化剂存在下进行的由于反应后气体中氨含量不高，一般只有10%~20%，故采用未反应氢氮气循环的流程。氨合成反应式如下：

N2+3H2→2NH3(g) =-92.4kJ/mol

工业中反应压力在10~35MPa之间，根据能量利用合理来取值。关于催化剂，人们已经开发出一系列催化剂，但比较广泛使用的是寿命比较长，活性良好而且价廉易得的铁系催化剂。该催化剂早期制备时还加入了促进剂。对于产品的分离，目前工业上有两种方法：水吸收法和冷凝法。

1.5 脱碳在合成氨中的作用和地位

脱碳也就是二氧化碳的脱除和回收，它属于原料气的净化阶段。因为无论是固体燃料还是以烃类为原料制得的原料气经一氧化碳变换后都含有15%~40%的二氧化碳。而在合成氨生产过程中经过变换后气体一般含有21%~30%的二氧化碳。它不仅会使氨合成催化剂中毒，而且给清除少量一氧化碳的过程带来困难。例如：采用铜氨液洗涤法时二氧化碳与其中的氨生成碳酸氨，而且会形成晶体堵塞管道和设备；采用液氨洗涤时，它容易固化成干冰也会堵塞管道与设备；在甲烷化过程中二氧化碳过多会消耗大量的氢又生成无用的气体甲烷。又因为按合成工序补充气中必须满足CO和CO2含量小于20PPm。此外，二氧化碳又是制造尿素、碳酸氢氨、纯碱的原料。因此，在合成系统前不但必须将二氧化碳气体清除干净而且还必须回收利用。二氧化碳的脱除和回收利用是脱碳过程的双重任务，也在合成氨中占有较重要的地位。

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第2章 碳酸丙烯酯（PC）法脱碳工艺

2.1 PC法脱碳技术国内外现状

PC为环状有机碳酸酯类化合物，分子CH3CHOCO2CH2，该法在国外称Fluor法。PC法是南化集团研究院等单位于20世纪70年代开发的技术，1979年通过化工部鉴定。据初步统计，已有150余家工厂使用PC技术，现有装置160余套，其中大型装置两套，其余为中小型装置。大部分用于氨厂变换气脱碳。总脱碳能力约300万吨合成氨/年，其中配尿素型应用较多，占60%左右，至今该法仍是联碱、尿素、磷铵等合成氨厂使用最广的脱碳方法，其开工装置数为MDEA、NHD法总和的数倍。

2.2 发展过程

PC技术的应用，主要经历了两个阶段：第一阶段始于70年代末，两个小氮肥厂用PC法代替水洗法脱CO2的工业试验装置获得成功，取得了明显的节能效果和经济效益。加之PC法在工艺上与水洗法相似，改造费用低，很快在一些小氮肥企业中推广应用；第二阶段，20世纪90年代以来，随着小化肥改变碳铵单一产品结构，适应市场需要，采用脱碳增氨转产尿素或联醇等方法，以提高经济效益，增强小化肥的竟争能力。为此，需要增设一套变换气脱碳装置，由于PC技术为典型的物理吸收过程，流程简单，投资少，节能明显，技术易于掌握。因此，很快得到了推广，并扩大了应用范围，技术上也趋于成熟。

2.3 工艺流程

碳酸丙烯酯脱碳工艺流程一般由吸收、闪蒸、汽提（即溶剂再生）和气相中带出的溶剂回收等部分组成。（见下图）参考[4]

吸收过程：由氮氢压缩工段来的约1.6MPa的变换气，经油分离器再次分离气体中的油沫后，从脱碳塔底部进入，变换气与塔中喷淋的碳酸丙烯酯液逆流接触，变换气中大部分的二氧化碳被碳酸丙烯酯溶液吸收，出脱碳塔的净化气中含CO2<2.0%.再经碳酸丙烯酯回收器、碳酸丙烯酯分离器除去气体中夹带的碳酸丙烯酯雾沫后送出工段去氮氢气压缩工段。

吸收了CO2后的碳酸丙烯酯富液从脱碳塔底引出并减压进入闪蒸槽，闪蒸出溶解于富液中的H2、N2、CO及部分CO2气体。闪蒸气经碳酸丙烯酯捕集器除去气体中夹带的碳酸丙烯酯雾沫后送往氮氢气压缩工段予以回收，闪蒸后的碳酸丙烯酯富液进入常解再生塔上

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段常解塔进行二氧化碳解析。出塔常解气含CO2>98%由汽提鼓风机补入防腐空气后常解气含CO2>95.7%(干基CO2气体含氧量为0.5～0.6%)，再经罗茨鼓风机加压后，送至洗涤塔上洗去气体中夹带的碳酸丙烯酯雾沫后送往尿素装置的CO2压缩工段。

常解后的碳酸丙烯酯溶液溢流进入常解再生塔下塔顶部与汽提鼓风机送入塔内的空气逆流接触，进一步气提出残留于富液的二氧化碳。汽提气经洗涤塔下塔去气体中的碳酸丙烯酯雾沫后放空。出常解再生塔的碳酸丙烯酯贫液至中间贮槽再经脱碳泵加压到约2.1MPa,经溶剂冷却器冷至35℃送入脱碳循环使用。

闪蒸是在低于吸收操作压力下使溶于溶剂中的气体解吸出来的过程。是物理溶剂再生方法中最常用的方法。闪蒸的另一目的是为了回收溶于溶剂中的某些气体组分，如：氢气、甲烷等。由于各种气体组分在碳酸丙烯酯中具有不同的溶解度和平衡规律，因此可以通过控制闪蒸压力来控制闪蒸气中各组分的比例及各组分的解吸量。一般情况下，难溶气体易于闪蒸解吸。根据这个原理，可通过一至几级不同压力等级的减压，使溶于溶剂中的不同气体组分在解吸时得到相对是分离和提纯，这样，工业上就可以按要求分别回收到各种气体组分。闪蒸级数的确定往往与回收气体的种类、数量和纯度有关，每一级的闪蒸压力都不同。从吸收塔富液的第一级闪蒸到压力递减到常压。各级闪蒸压力在确定后，如果溶剂在该闪蒸气中有充足的停留时间，那么溶于该溶剂中的各种气体组分将充分解吸，直接趋近于这些气体在该温度、该组分气相分压时的平衡溶解度。如在合成氨变换气的脱碳工艺上，往往设置二级至三级减压闪蒸。第一级减压闪蒸（如0.5MPa）是为了回收溶于溶剂中的氢气和氮气，第二级减压闪蒸（如常压）是为了回收二氧化碳，同时使溶剂中的酸气（二氧化碳）等浓度降低，以达到再生溶剂的目的。当原料气中二氧化碳分压为0.5MPa左右时，经溶剂吸收，再通过减压闪蒸（包括常压闪蒸），一般可将二氧化碳吸收量的75%左右解吸出去，剩余的25%左右将从汽提塔中吹出。如生产上需要多回收一些高纯度的二氧化碳气体。可在常压闪蒸后再增设真空闪蒸。

吸收过程和溶剂再生过程是碳酸丙烯酯脱碳脱硫工艺中最基本的两个环节。 碳酸丙烯酯溶液的再生原理：当二氧化碳分压在2.0MPa以下时，碳酸丙烯酯吸收二氧化碳基本上符合亨利定律：CCO2?HCO2?PCO2,提高吸收压力，平衡溶解度增加，对原料气净化有利。与吸收过程相反，降低压力可使溶解在碳酸丙烯酯中的二氧化碳气体解吸出来，溶解在碳酸丙烯酯中的二氧化碳等气体的解吸过程即称为碳酸丙烯酯富液的再生。在低于吸收操作压力下时溶于溶剂中的气体解吸出来时物理溶剂再生中最常用的方法。再生度是指

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碳酸丙烯酯富液经再生后，残留在溶剂中的二氧化碳的含量，含量越低，则再生度越高。常压闪蒸后的溶剂再经过汽提的再生工艺，是目前碳酸丙烯酯脱碳工艺中采用最普遍的一种。我国合成氨厂配尿素、纯碱的脱碳工艺基本上如此。汽提所用的惰性气体为空气。为了保证吸收工序后净化气中二氧化碳含量在2%左右。所以溶剂的再生度要求较高。脱碳过程中的能量回收：在碳酸丙烯酯脱碳过程中，有汽液料的升压和降压过程，为了合理采用工艺本身的能量再流程图上，应考虑相应的能量回收装置。

真空再生主要设备为真空再生塔。再生再生塔内的真空度由外接真空装置调节。当溶剂温度一定时，真空度越大，从溶剂中解吸出来的二氧化碳等气体量也越多，溶剂再生越完全。此时解吸出来的二氧化碳气量可近似地按二氧化碳在碳酸丙烯酯中相平衡式进行计算。

再生塔是溶解气体从溶剂中解吸出来的装置，根据工艺流程的需要，选择不同的塔型，在采用常解压汽提再生流程时，再生塔常解部分时淋降板式塔，汽提部分采用填料塔，而真空再生流程则全部为淋降板式塔型，采用淋降板式结构优点在于增加解吸表面积，利于溶剂中溶解气体解析完全。液体从上一层塔盘的中心降液管下来，由边缘降液管流下，再下一层塔盘上，再转为中心管降液，液体在各层塔盘上依次做离心或向心的径向运动。塔盘设有不同高度的溢流堰，以减少每段行程长度，降低每段行程的液面落差。

汽提塔的作用是，以惰性气体吹洗溶剂，使溶剂中残留二氧化碳、硫化氢等酸性气体的含量得到进一步降低。汽提过程实际上是吸收的逆过程。因此，可在一只气液逆流接触的塔式设备内进行。工业上大多采用填料塔。与吸收塔的气液物料浓、稀端正好相反，在汽提塔的操作过程中，气液浓端均在塔上部，而气液物料的稀端都在塔下部。

随工艺气体带出的溶剂出了以雾沫（气体中的雾沫一般是指直径在50?m以上的液滴，它可以通过网除雾器等简单的装置将这些液滴从气体中捕集下来）形式带出以外，另一种形式是溶剂蒸汽。这部分溶剂蒸汽在通过丝网除雾器时并不能捕集回收下来。因此需要在工艺上另行考虑回收装置。目前，工业上回收气流中溶剂蒸气的方法，主要采用水洗涤法，该法使含有溶剂蒸气的气体通过水洗涤塔，使溶剂蒸气溶解于水中成为稀的碳酸丙烯酯水溶液，生产上俗称为稀液。该法因基于水和碳酸丙烯酯的部分互溶性。因此只有在互溶范围内，溶剂蒸气才能有效溶于水中。

循环洗涤法是指水中溶剂浓度在控制指标以下时，用泵输送到回收塔中连续循环，使气体中的溶剂蒸汽不断溶于循环稀液内，直到稀液中溶剂浓度达到控制指标时才注入循环

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溶剂中

回收常解气、汽提气中碳酸丙烯酯雾沫的稀液，当在洗涤塔中循环浓度达～12%时，即加入至中间贮槽中回收作碳酸丙烯酯补充使用。当碳酸丙烯酯溶中有杂物时，设计中设有碳酸丙烯酯过滤器，将杂物滤出，以保证生产正常进行。

在碳酸丙烯酯脱碳过程中，有气液物料的升压和降压过程，为了合理采用工艺本身的能量，在流程上，应考虑相应的能量回收装置。

在整个工艺流程中，要适当调节吸收气液比，吸收气液比是指单位时间内进吸收塔的原料气体积（标态）与进料贫液体积（工况下）之比，该比值在某种程度上也是反映生产能力的一种参数。由于单位体积溶剂在一定条件下，所吸收的酸性气体量基本为一定值，因而在其他条件不变的情况下，净化气中二氧化碳净化度明显的随着气液比的减少而增加。

对填料塔而言，加大气液两相的接触面积可以提高吸收饱和度，加大气液接触面积的措施一般可通过增大填料容量或选择比表面积较大的填料来实现。提高R值之后虽然可降低溶剂循环量，但也必须考虑R值增加后，相应的塔高也将增加，这样，在工程设计中，应针对具体工况进行技术经济比较后再选取合理的R值，工业上，吸收饱和度R值一般取70～80%之间。

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第3章 填料塔的工艺计算

3.1 物性数据

变换气：变换气的组成见表3.1。

表3.1 变换气各组分体积分数及组分分压

组分 %(体积） （MPa） （Kgf/cm2） （atm）

CO2 28.3 0.4245 4.3299 4.1884

CO 2.02 0.0303 0.3091 0.2990

H2 52.3 0.7845 8.0019 7.7404

N2 16.9 0.2535 2.5827 2.5012

CH4 0.29 0.0044 0.0444 0.0430

Ar 0.19 0.0029 0.0291 0.0281

合计 100 1.5 15.3 14.8

3.1.1 PC的密度与温度的关系

? = 1223.3－1.032t (3-1)

35℃时： ?L2 = 1187kg/m3 40℃时： ?L1 = 1184kg/m3 3.1.2 CO2在PC中的溶解度关系

因为是高浓度气体吸收，故吸收塔内CO2的溶解热不考虑。 假设出塔气、入塔液的温度相同，都为：TV2=35℃， 出塔液的温度：TL1=40℃， 吸收饱和度：80%

碳酸丙烯酯在40℃时的溶解度Xco2

lgXco2=lgPco2+644.25/T-4.112 (3-2) lgXco2=lg4.3299+644.25/313.15-4.112=-1.4282 Xco2=0.03731kmolCO2 /kmolPC

=0.03731×22.4/（102.09/1184） =9.693 Nm3CO2/ m3PC

式中：102.09—PC的摩尔质量，kg/kmol；

1184—出塔溶液的密度（近似取纯PC的密度，kg/m3）

- 9 -

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3.1.3 PC的蒸汽压

40℃时PC蒸汽压（查[4]为8.67Pa）与操作总压(1.5MPa)及CO2的气相分压 (0.455 MPa)相比很小，故可认为PC不挥发。 3.1.4 PC的粘度

logμ=-0.822+185.5/（T-153.1）mPa?s (3-3)

T—为热力学温度，K

得： 40℃时： μL1=2.173mPa·s 35℃时： μL2=2.368 mPa·s

3.2 物料衡算

3.2.1 各组分在PC中的溶解量

各组分在操作总压为1.5MPa、操作温度为35℃下在数据，并取相对吸收饱和度为80%，并且甲烷和氩气含量很少，而且其在PC中的溶解度也很小，故将其近似处理。将计算结果列于表3.2中。

表3.2 各组分在PC中的溶解度数据

成分 组分分压（MPa） 溶解度（m3/m3PC） 溶解量（m3/m3PC） 溶解气体积分数（%）

CO2 0.4245 9.693 7.594 95.45

CO 0.0303 0.016 0.0128 0.15

H2 07845 0.223 0.1784 2.20

N2 0.2535 0.223 0.1784 2.20

合计 100 10.155 8.0788 100

因溶解气中的CO2占到了95.45%。其它气体在PC中的溶解度很小，故也可将CO2以外的组分视为惰性气体而忽略不计，而只考虑CO2的溶解吸收，将多组分吸收简化为单组份吸收的问题。

说明：进塔吸收液中CO2的残值取0.2Nm3/m3PC，故计算的实际溶解量时应将其扣除。其他组分本身溶解度就很小，经解吸后的残值完全可被忽略。 CO2溶解量的计算如下：

前已算出，40℃时CO2在PC中的平衡溶解度Xco2=9.693Nm3/m3PC，PC对CO2的实际溶解能力为：（9.693-0.2）×0.8=7.594Nm3/m3PC。

- 10 -

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3.2.2 溶剂夹带量

以0.2 Nm3/m3PC计，各组分被夹带的量如下：

CO2：0.2×0.283=0.0566 Nm3/m3PC CO：0.2×0.0202=0.004 Nm3/m3PC H2：0.2×0.523=0.1046Nm3/m3PC N2：0.2×0.169=0..0338m3/m3PC

3.2.3 溶液带出的气量 为夹带量与溶解量之和

CO2：0.0566+7.594=7.651 Nm3/m3PC 93.72% CO：0.004+0.0128=0.0168 Nm3/m3PC 0.21% H2：0.1046+0.1784=0.283 Nm3/m3PC 3.47% N2：0.0338+0.1784=0.2122 Nm3/m3PC 2.60% 8.163Nm3/m3PC 100% 3.2.4 出脱碳塔净化气量

V1—进塔总气量 Nm3/h V2—出塔总气量 Nm3/h V3—溶液带出的总气量 Nm3/h y1、y2、y3分别表示CO2相应的体积分率

对CO2作物料衡算有： V1=V2+V3

V1y1= V2y2+ V3y3

联立得：

V3=

V1(y1-y2)20000?(0.283?0.0038)= y3-y20.9372?0.0038=5982Nm3/h

V2= V1 - V3=20000-5982=14018 Nm3/h

3.2.5 计算PC循环量

因每1m3PC带出CO2为7.651 Nm3，故有：

L=

V3y35982?0.9372==732.76m3/h

7.6517.651

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732.76×1184=867588kg/h

操作的气液比为

V1/L=20000732.76=27.29 Nm3/m3

3.2.6 带出气体的质量流量

夹带气量： 732.76?0.2?146.55Nm3/h 夹带气的平均摩尔质量：

M1=44×0.283+28×0.0202+2×0.523+28×0.169 =18.8kg/kmol

夹带气的质量流量： 146.55?22.4?18.8?123kg/h 溶解气量： 5982?147?5835Nm3/h 溶解气的平均摩尔质量：

Ms=44×0.9545+28×0.0015+2×0.022+28×0.022 =42.7 kg/kmol

kg/h 溶解气的质量流量： 5835?22.4?42.7?11123带出气体的总质量流量： 123+11123=11246kg/h 3.2.7 验算净化气中CO2含量

取脱碳塔阻力降为0.2kgf/cm2，则塔顶压强为15.3-0.2=15.1kgf/cm2，此时CO2的分压为： Pco2=15.1×0.0038=0.05738kgf/ cm2

此时分压呈平衡的CO2液相浓度为：

lgXco2=lg0.05738+

644.25-4.112=-3.096 313.15Xco2=0.0008006kmol CO2/kmolPC

=

0.0008006?22.4

102.09/1187=0.22Nm3CO2/m3PC＞0.2 Nm3CO2/m3PC

式中：1187为吸收液在塔顶35℃时的密度，近似取纯PC液体的密度值。计算结果表明：要使得出塔净化气中CO2的浓度不超过0.38%，则入塔吸收液中CO2的极限浓度为0.22 Nm3/m3PC，本设计的取值正好在其所要求的范围之内，故选取值满足要求。 3.2.8 出塔气体的组成

出塔气体的体积流量应为入塔气体的体积流量与PC带走气体的体积流量之差。

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CO2：20000×0.283-7.651×732.76=53.65Nm3/h 0.38% CO：20000×0.0202-0.0168×732.76=391069 Nm3/h 2.78% H2：20000×0.523+0.283×732.76=10432.63 Nm3/h 73.98% N2：20000×0.169+0.2122×732.76=3224.51 Nm3/h 22.86% 14012.48Nm3/h 100.00% 出塔气的平均摩尔质量：

M2=44×0.0038+28×0.0278+2×0.7398+28×0.2286=10.33kg/kmol

出塔气的质量流量：

V2=14012.48÷22.4×10.33=6462kg/h

- 13 -

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第4章 填料塔的结构设计

4.1 确定吸收塔塔径及相关参数

4.1.1 求取泛点气速和操作气速

已知量：入塔气： V1=20000m3/h=20000÷22.4×18.8=16786kg/h，

出塔气： V2=14012.48m3/h=6462 kg/h， 出塔液： L1=867588+11123=878711kg/h， ， 入塔液： L2=867588kg/h，

选择d=50mm塑料阶梯环，其填料因子φ=143.4m-1，ε=0.927，比表面积at=114.2m2/ m3，Bain-Hougen关联式常数A=0.204，K=1.75。

混合气体的密度:

PM1.5?106?18.8?10?3?G???11kg/m3

RT8.315?308.315泛点气速uF可由Eckert通用关联图或Bain-Hougen关联式求取，现按Bain-Hougen关联式计算泛点率关联式求解uF

2?uFL14?G18a?G0.2?=A?1.75()() (4-1) lg?(3)?L?G?L?g??L?2?uF114.211?867588?0.2?=lg????2.1730.204?1.75???39.811184167860.927????14?11???? ?1184?18得: uF=0.1528m/s

取: u=0.8uF=0.8×0.1528=0.122 m/s 4.1.2 求取塔径

操作状态下的气体体积流速：

V=20000?脱碳塔径D

D=

实际取塔径?2200mm

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0.101273?401??=0.423m3/s 1.527336004V4?0.423==2.124m ?u3.14?0.122太原科技大学毕业设计（论文）

4.1.3 核算操作气速

??4.1.4 核算径比

4V4?0.423?=0.111m/s 22?D3.14?2.2D/d=2200/50=44, 满足阶梯环的径比要求

4.2 填料层高度计算

吸收过程传质系数KG的计算 [6]

KG = A?u1.3CPC0.1B-0.01 =20×(0.122)1.3×(10.209)0.1×(27.29)-0.01 (4-2)

=1.584 kg/m2·h·MPa

式中 KG － 传质系数，kg/m2·h·atm ；

A － 经验数，A = 20； u － 操作气速，m/s ； CNa－ 溶液中Na2CO3的含量， CPC= C×MPC =0.1×102.09=10.209g/L； B－ 吸收过程液气比，B = 27.29 吸收过程平均推动力ΔPm

ΔPm = (P1-P1*)-(P2-P2*)/ [㏑(P1-P1*)/ (P2-P2*)] (4-3)

=（4.1884-0.05624）/㏑（4.188÷0.05624） =2.91atm ；

式中 P1－ 吸收塔入口气相CO2分压 ，atm ；

P1 = 4.1884atm

P2－ 吸收塔出口气相H2S分压 ，atm ； P2 = 1.5/0.1013×0.0038 = 0.05624 atm； P0－ 吸收塔入口压力 ，atm ，P0 = 1.48atm ； Pi－ 吸收塔出口压力 ，atm ，Pi = 1.48atm ；

P1*，P2*－ 吸收塔入，出口气相H2S平衡分压 ，Mpa ，溶液中H2S含量很低，可以忽略。P1*= P2*=0 所需传质面积的计算

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AP = G/ KG△Pm = 10969/1.584×2.91 =2379m2 式中：G － CO2脱出量

G=20000×（0.283-0.0038）×44/22.4=10969kg/h 填料层高度的计算

HP = AP/0.785D2α=2379/0.785×2.22×114.2 = 5.48m 取填料层高度:HP =6 m 对于塑料阶梯环填料，而实际

H6??2.73 D2.2H?4.5 D计算得填料层高度为6000mm,故无需分段

4.3 填料层压降计算

采用Eckert通用关联图，查文献[7]，计算填料层压力降 横坐标为

?L?V0.5877588110.5()?()=5.039 ?V?L167681184查文献[5],填料因子 ?P=116m-1

u2?P??V0.20.1222?116?1.4511??2.1730.2 纵坐标为 ?L=

9.811184g?L=0.0112

查图（内插）得：?PZ=15×9.81=147.15Pa/m 填料层压降为： 6=882.9Pa ?P=147.15×

4.4 设备厚度计算

4.4.1 圆筒的厚度

选用16MnR钢板，查《化工设备机械基础》[8]表9-4得：[?]t?189MPa，焊接采用双面焊100%无损探伤检查，焊接接头系数??1.00，则由筒体的计算厚度为：

??PCDi (4-4) t2[?]??PC- 16 -

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?1.5?2200

2?189?1?1.5=8.76mm

查《化工设备机械基础》得C1=0.3mm，取腐蚀裕量C2=2mm，则 设计厚度?d???C2?8.76?2?10.76mm 圆整后取名义厚度?n??d?C1?V=12mm 4.4.2 封头的厚度

???PCDi (4-5) t2[?]??0.5PC1.5?2200

2?189?1?0.5?1.5=8.75mm

设计厚度?d???C2?8.75?2?10.75mm 圆整后取名义厚度?n??d?C1?V=12mm

4.5 塔设备的选取

4.5.1 液体分布器

查《化工设备设计手册》[9]，液体分布器选用槽式溢流型分布器，如图4.1

槽式溢流型分布器，操作时，液体由上部进入分配槽，漫过分配槽顶部缺口流入喷淋槽，喷淋槽内的液体经槽的底部孔道和侧部的堰口分布在填料上。分配槽通过螺钉支承在喷淋槽上，喷淋槽用卡子固定在塔体的支持圈上。

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图4.1溢流槽式布液器

槽式溢流型分布器的液体分布均匀，处理量大，操作弹性好，抗污染能力强，适应的塔径范围广，是应用比较广泛的液体分布装置。尺寸如表4.1

表4.1 溢流分布器尺寸

塔径 （mm） 2200

外径 （mm） D-20

喷淋槽 数量 5

中心距 （mm） 300

数量 2

分配槽

中心距（mm） 700

液体负荷范围 双槽式 （ m3/h） 55～390

4.5.2 填料支承装置

填料的支承装置结构对填料塔的操作性能影响很大。若设计不当，将导致填料塔无法正常工作。对填料支承装置的基本要求为是：有足够的强度以支承填料的重量；有足够的自由截面，以使气、液两相通过时阻力较小；装置结构要有利于液体的再分布；制造、安装、拆卸要方便。常用的填料支承装置有栅板、格栅板、波形板等。

查《化工设备设计手册》，选用梁型气体喷射式支承板，如图4.2

在每个波形梁的侧面和底部上开有许多小孔，上升的气体从侧面小孔喷出，下降的液体从底部小孔流下，故气液在波形板上为分道逆流。既减少了流体阻力，又使气、液分布均匀。开孔波形板的特点是：支承板上开孔的自由截面积大；支承板上气液分道逆流，允许较高的气、液负荷；气体通过支承板时所产生的压降小；支承板做成波形，提高了刚度和强度。波形板结构为多块拼装形，每块支承件之间用螺栓连接，波形的间距与高度和塔

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径有关。尺寸如图4.2

图4.2梁型气体喷射式支承板 表4.2梁型气体喷射式支承板尺寸

塔径（mm）

2200

板外径（mm）

2160

主支承板

分块数

6

主支承梁数

0

支承圈宽度

50

支承圈厚度

14

4.5.3 除沫器

丝网除沫器的型式分为上装式和下装式两种：1上装式丝网除沫器的通径范围为DN300～DN5200mm。2下装式丝网除沫器的通径范围为DN700～DN4600mm。如图4.3所示。网块安装时，有从上往下装与由下往上装两种情况，因此，丝网除沫器有上装式与下装式两种结构。当人孔位置开设在丝网除沫器的上面，或无人孔而有设备法兰时，选用上装式丝网除沫器；人孔位置开设在丝网除沫器的下面，选用下装式丝网除沫器。根据实际情况人孔位置开设在丝网除沫器的下面选择下装式丝网除沫器。尺寸如表4.3

图4.3下装式丝网除沫器

表4.3下装式丝网除沫器的具体尺寸

公称直径 DN（mm） 2000

主要外形尺寸（mm） H 100

H1 370

D 1900

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重量（Kg）

丝网 54

格栅及定距杆 支承件

43

107

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4.5.4 填料压板

根据填料的类型，选着填料床层限制板，如图4.4

图4.4 床层限制板

4.5.5 封头

选用标准椭圆型封头，具体尺寸如表4.4

表4.4标准椭圆型封头尺寸

椭圆型封头内径

（mm）

2200

曲面高度(mm) 550

直边高度(mm) 40

壁厚 (mm) 12

内表面积（m2） 5.529

容积（m3） 1.549

质量 （Kg） 510.2

4.5.6 裙座

裙座选用圆筒形，与塔体焊接采用对接，如图4.5所示。焊接接头采用对接形式时，一般裙座筒体外径与塔体的外径相等，裙座筒体与塔体釜封头的连续焊接采用全熔透的连续焊，且与塔釜封头外壁连续过度。裙座高度为2.5m 裙座材料为Q235-A。

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图4.5圆筒形裙座的结构

1-基础板；2-筋板；3-盖板；4-垫板；5-人孔；6-裙座筒体；7-排气孔；8-引出管通道；9-排液孔

4.5.7 人孔

查《压力容器与化工设备实用手册》，填料塔需开四个人孔，可选回转盖带颈对焊法兰人孔，如图4.6所示。由使用地为太原市室外，确定人孔的公称直径DN=500mm，以方便工作人员的进入检修。根据HG/T 21518-2005《回转盖带颈对焊法兰人孔》，由PN=2.5MPa选用凹凸面的密封形式MFM，采用8.8级16Mn等长双头螺柱连接。其明细尺寸见表4.5。

表4.5人孔尺寸表 单位/mm

密封面型式 公称压力PN

MPa 公称直径DN

凹凸面MFM 2.5 500

D

730 660 280

b1

43 48 405

d0

螺柱数量 螺母数量

30 20 40

D1 b2

A

H1

dw?s

d

530?12

H2 123

b

44

B L

200 300

螺柱尺寸 总质量kg

M33?2?170

506 302

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图4.6回转盖带颈对焊法兰人孔

4.5.8 填料塔气液的进出口管

气体进口管： 在设计安装填料塔的气体入口管的装置时，应该注意不要让液体进入管中，同时还能使气体分布。通常将气体进口管端切成向下的斜面或作成向下的切口并一直伸到塔的内部。在设计气体进口管时，气体在管中的流速一般为10m/s～20m/s，但建议采用较低的气速。其目的是为了减小局部阻力损失，以便在填料层中获得较好的分布情况。另外塔下部的空间也应较大，使气体能够均匀分布。

气体出口管：气体出口管装置，应尽量使液沫夹带能被除去。在液沫夹带很少时，可用一般的接管，但在液沫夹带较多时，最好在靠近气体出口孔的地方，装置一个除沫板，或设置辅助的沫分离器。

半水煤气在操作压力为1.5Mpa温度为40错误！未找到引用源。时在钢管中的流速一

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般为10m/s～20m/s，取流速错误！未找到引用源。

由式 VS??D24u (4-6)

得到 D?4VS??u4?20000?3600?0.595m?595mm

3.14?20PC液在操作压力为1.5Mpa温度为40错误！未找到引用源。时在钢管中的流速一般为1m/s～3m/s，取流速错误！未找到引用源。

D?4VS4?732.76?3600??0.299m?299mm ?u3.14?2根据计算得到气体和液体所需的钢管直径分别为595mm和299mm，

表4.6查得相应的无缝钢管尺寸

公称直径DN（mm） 钢管外径（mm）

300 600

325 630

钢管壁厚(mm)

9 15

钢管理论重量（kg/m）

70.14 227.49

4.5.9 法兰的选择

查《钢制管法兰、垫片、紧固件》HG 20592-20635-97 表6.0.2法兰类型与密封面型式，按照公称压力由低到高的原则，首先选用板式平焊法兰（PL），如表4.7所示。

表4.7板式平焊法兰（PL）

法兰类型

板式平焊法兰（PL）

密封面型式 凸面（RF） 全平面（FF）

压力等级PN（MPa） 0.25-2.5 0.25-1.6

又根据上表和设计压力Pc=1.5MPa，应该选用公称压力为2.5MPa的凸面板式平焊法兰（PL），如图4.7所示。

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图4.7板式平焊钢制管法兰

法兰尺寸如表4.8

表4.8法兰尺寸

序号

名 称 液体进口 液体出口 气体进口 气体出口

公称通径DN

钢管外径B

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

法兰厚度C

法兰内径B1

A B C D

300 300 600 600

325 325 630 630

440 440 755 755

395 395 705 705

22 22 26 26

12 12 24 24

M20 M20 M24 M24

24 24 32 32

328 328 636 636

4.5.10 吊住

安装在室外，无框架的整体塔设备,如图4.8所示。为了安装及拆卸内件，更换或补充填料，往往在塔顶设置吊柱。吊柱的方位应使吊柱中心线与人孔中心线间有合适的角度，使人能站在平台上操作手柄，使吊柱的垂直线可以转到人孔附近，以便从人孔装入或取出塔内件。

吊柱的结构及在塔体上的安装如下图所示，其中吊柱管通常采用20无缝钢管，其他部件可采用Q235-A。吊柱与塔连接的衬板应在塔体材料相同，具体尺寸见表4.9。

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表4.9吊柱尺寸

质量（错误！

S

L

H

R

e

l

未找到引用源。）

168错误！

1600 4250 1250

未找到引用源。10

740

250

110

310

HG/T21639-9 标准图号

图4.8吊柱的结构及安装位置

1-下支座；2-防雨罩；3-档销；4-止动插销；5-手把；6-上支座；7-耳环；8-吊钩；9-封板

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第5章 塔的强度设计与校核

5.1 塔的总高度

1塔的上封头和接管高度h1=0.89m ○

2填料层与上封头之间的高度h2=3.11m ○

3填料层高度h3=6m ○

4填料层与裙座之间的高度h4=2.5m ○

5裙座的高度h5=2.5m ○

即H=h1+ h2+ h3+ h4+ h5=0.89+3.11+6+2.5+2.5=15m

5.2 塔设备质量载荷计算

封头质量m1?2?510.2?1020.4kg 筒体质量m2?????D4?20?Di2H0?

?4?2.2242?2.22??3.41?6?2.5??7.85?103

??7792.5kg

裙座质量m3????D420?Di2h5?

??4?2.2242?2.22?2.5?7.85?103?1635.7kg

??塔体、裙座质量

m01?m1?m2?m3?10448.6kg

填料质量，查知塑料阶梯环的堆积密度??548kg/m3 填料的体积V填?

?4D2h3??4?2.22?6?22.8m3

- 26 -

太原科技大学毕业设计（论文）

填料的质量m02??V填?548?22.8?12494.4kg 保温材料质量错误！未找到引用源。

取龙式扶梯错误！未找到引用源。L?2??h2?h3?h4?h5??2?14.41?28.82m 操作平台及扶梯的质量m04?40?28.82?1000?2153kg错误！未找到引用

源。

操作时物料的质量m?05?4D2i?h3??L??V? ??4?2.22?0.927?6??1184?11?

?25253kg 塔附件如人孔，接管，法兰等质量

ma?0.25m01?2612kg 偏心质量me?310kg

偏心质量即为塔体上吊住的质量。

水压试验时充水的质量m?????4D2?w水?i?h2?h3?h4??2V封??

?1000?48.343

?48343kg 塔设备在正常操作时的质量

m0?m01?m02?m03?m04?m05?ma?me?51118kg 塔设备在水压试验时的最大质量

mmax?m01?m02?m03?m04?m w?ma?me?76361kg 塔设备在停工检修时的最小质量

mmin?m01?0.2m02?m03?m04?ma?me?18022.5kg 5.3 塔的固有周期

T?1.79mH4EI - 27 -

(5-1) (5-2) (5-2)

(5-4)

太原科技大学毕业设计（论文）

等直径等厚度E?2.09?105N/mm2?2.09?1011Pa

I??8Di2?e??8?2.22?0.0097?0.0184m

m?m051118??3407.9kg H153407.9?154T?1.79?0.379s

2.09?1011?0.01845.4 风载荷和风弯矩计算

5.4.1 风载荷的计算

根据塔高将其分六段，分别为1.0m,1.5m,1.5m,3.0m,4.0m,4.0m （1）风振系数

由于塔高H?20m，取K2i?1.7 （2）有效直径Dei

设笼式扶梯与塔顶管线成90°角，取平台构建的投影面积?A?0.5m2，则Dei取下使计算值中的较大者。

Dei?Doi?2?si?K3?K4 (5-5)

Dei=Do????0?2 (5-6) i2siK?4d式中，塔和管线的保温层厚度?si??ps?0，塔顶管线外径

d0?600mm，K3?400mm，K4?2?A Li各段错误！未找到引用源。计算结果列于下表5.1（单位：m）

表5.1 各塔段有效直径Dei

塔段号

Li K3 K4

0

0

0.667

1 1.0

2 1.5

3 1.5

0.4

0

0

0.250

4 3.0

5 4.0

6 4.0

- 28 -

太原科技大学毕业设计（论文）

Dei

2.824

2.824

3.491

2.824

2.824

3.074

（3）水平风力计算 由下式计算各塔段的水平风力

Pi?K1K2fiq0liDei (5-6)

塔设备中各计算段所受的水平风力计算结果列于下表

表5.2 各塔段水平风力计算结果

塔段号

1

2

3

4

5

6

/m /m /N

1 1 2.824 108.17

1 1.5 2.824 1512.25

1 1.5 3.491 1869.43

0.7 1.7 300

1 2.0 2.824 3024.50

1.03 4.0 2.824 4153.65

1.14 4.0 3.074 5004.23

5.4.2 风弯矩计算

在计算风载荷时，常常将塔设备沿塔高分为若干段，则水平风力在第i段塔底截面错误！未找到引用源。的风弯矩为

I?IMW?Pilil?l?l?????Pi?1?li?i?1??Pi?2?li?li?1?i?2????Pn?li?li?1?li?2??n? (5-7) 22?2?2????塔设备中各截面所受的风弯矩计算结果列于下表

表5.3各截面所受的风弯矩

截面

0-0

1-1

2-2

3-3

3-4

5-5

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太原科技大学毕业设计（论文）

（错误！未找到引用源。)

118290.3

112230.7

76281.9

70343.1

38332.7

10008.5

5.5 地震载荷

5.5.1 确定塔设备的危险截面

0-0截面为裙座基地截面；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。

由表查得：?max?016（设计地震烈度8级）。 由表查得：Tg?0.4（Ⅱ类场地土，近震）。 因为T1?0.379s?Tg?0.4s，所以???2?max

?2?阻尼调整系数

?2?1???塔的阻尼比，??0.01~0.03

0.5?? (5-8)

0.06?1.7??2?1?0.5?0.02?1.32

0.06?1.7?0.02??1.32?0.16?0.211

5.5.2 地震弯矩

0?0ME?16?1mgH2 (5-9) 35I?IME?8?1mg10H3.5?14hH2.5?4h3.5 (5-10) 1.5175H??0?0截面

0?0ME?16?1mgH2 3516=0.211?511189.81?152 35=1.088?107N?m

1-1截面

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太原科技大学毕业设计（论文）

1?1? ME8?1mg3.52.53.510H?14hH?4h 1.5175H???8?0.211?51118?9.8110?153.5?14?1?152.5?4?13.5 1.5175?15??=9.868?106N?m

2-2截面

2?2ME?8?1mg3.52.53.510H?14hH?4h 1.5175H???8?0.211?51118?9.813.52.53.510?15?14?2.5?15?4?2.5

175?151.5??=8.325?106N?m

5.6 最大弯矩

i-i最大弯矩Mmax取下式计算值中最大值

i-ii-i??Mmax?Mw (5-11) ?i-ii-ii-i??Mmax?ME?0.25Mw计算结果如下表

表5.4各截面的最大弯矩

截面

-i Mimax（/N?mm）0-0 1-1 2-2

1.091?1010 9.897?109 8.372?109

5.7 基础环的设计

5.7.1 基础环尺寸

Dob?Dis??160~400??2200?300?2500mm取 (5-12)

Dib?Dis??160~400??2200?300?1900mm5.7.2 基础环尺寸的应力校核

0-0?Mmaxm0g??Ab?Zb?? (5-13) 0-0?0.3Mw?mmaxg?Ab?Zb?bmax取其中较大者

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太原科技大学毕业设计（论文）

44???Dob?DibZb? Ab?（1） ?bmax32Dob3.14?25004?19004??1.022?109mm3

32?2500???4?Dob?Dib??0.785??25002?19002??2.072?106mm2

0?0Mmaxm0g1.091?101051118?9.81 ?????9.97MPa96ZbAb1.022?102.072?100?00.3Mmaxmmaxg0.3?1.091?101076361?9.81 ?????3.58MPaZbAb1.022?1092.072?106（2） ?bmax取?bmax?9.97MPa

选用100号混凝土，其许用应力Ra?10.00MPa 因为?bmax?Ra 故满足要求。 5.7.3 基础环厚度

按由筋板时，计算基础环的厚度Sb。

b?1?Dob?Dos??1??2500?2224??138mm 22取地脚螺栓个数n?20，则

l??Dob2n?3.14?2500?196.25mm

2?20bl?138?0.7

196.25由此得：

Mx??0.2020?maxb2??0.2020?9.97?1382??40250N?mmmm

My?0.0610?maxl2?0.0610?9.97?196.252?23423N?mmmm 取Ms?Mx?40252N?mmmm 基础材料的许用应力??b??189MPa 基础环厚度Sb?

- 32 -

6Ms??b??6?40252?35.6mm，取Sb?36mm

189太原科技大学毕业设计（论文）

5.8 地脚螺栓计算

5.8.1 地脚螺栓承受的最大拉应力

0?0?Mwmming??Ab?Zb ?B??0-0 (5-9) 0-0?ME?0.25Mw?m0g?ZbAb? 取其中较大值

0?0Mwmming118290?10318023?9.81（1）?B?????0.03MPa 96ZbAb1.022?102.072?100?00?0ME?0.25Mwmg（2）?B??o

ZbAb1.088?1010?0.25?118290?10351118?9.81??

1.022?1092.072?106?9.6MPa

取 ?B?9.6MPa

5.8.2 地脚螺栓直径

因为?B?0，所以此塔必须安装地脚螺栓，地脚螺栓个数n?20，地脚螺栓材料的许用应力???bt?170MPa。

d?4?BAb??n???bt4?9.6?2.072?106?86.3mm

3.14?20?170取地脚螺栓为M90。故选用20个M90地脚螺栓，满足要求。以上各计算均满足强度条件及稳定性条件。

5.9 塔设备校核

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