过程装备与控制工程 φ800热套式尿素合成塔设计.doc

1、摘要尿素是一种重要的化学肥料和工业原料，在世界范围内广泛使用。自从1922年尿素开始工业化生产以来，许多国家都致力于尿素生产系统的研究，在合成机理热力学性质和工艺流程方面都有创新和进展。尿素生产工艺是典型的化工生产工艺之一。目前尿素的生产工艺主要有:水溶液全循环法、二氧化碳气提法、氨气提法。由于气提法技术还有很多限制，因此选择技术比较成熟的水溶液全循环法。本设计介绍了尿素生产工艺的基本概况，水溶液全循环法尿素生产工艺流程及特点，对尿素生产流程进行研究设计，以帮助指导尿素工业生产。本设计阐述了前人对尿素生成的研究概况，分析了现存工艺流程的优缺点，建立了合适的工艺流程；根据选择的工艺流程，以尿素生

2、产和消耗为目标，对整个流程进行了物料衡算和热量衡算。同时对生产系统的关键性设备进行了设计和选型；根据设计数据，绘制了主要设备装置图及零件图。关键词:热套式；尿素；合成塔；设计ABSTRACTUrea is one of the important nitrogen-based fertilizers and industrial raw materials, which is widely used around the world. Since its production was industrialized in 1922, urea process has attracted much

3、 research from different. Innovation and achievement has been made in the synthesis mechanism, thermodynamic property and flow sheeting. The urea production process is one of the typical chemical production processes. Today the world production process of Urea are total recycle of the aqueous soluti

4、on, carbon dioxide stripping process, ammonia stripping process. There are many restrictions in stripping technology, so we select the technology, total recycle of the aqueous solution, which is relatively mature .This design describes the basic profiles of the urea production process, the aqueous s

5、olution of the full cycle of urea production process and characteristics. This work is started with the thermodynamic parameters of the urea production, urea production process is developed in order to guide the production.This design describes the previous generation of urea, analyzes the advantage

6、s and disadvantages of the existing process, the establishment of an appropriate process; depending on the chosen process, urea production and consumption as the goal, the whole process has been mass balance Operators and heat balance. While the production of key equipment for the system design and

7、selection; according to the design data, mapping of the main equipment installation drawings and part drawings.Key words: thermal sleeve; urea; synthesis tower; design目录摘要IABSTRACTII第一章 概述11.1尿素及其生产概况11.2尿素主要用途11.3尿素的性质11.3.1尿素的物理性质11.3.2尿素的化学性质21.4二氧化碳气提法生产尿素21.5工艺流程介绍31.5.1二氧化碳压缩31.5.2氨的输送和尿素合成31.

8、5.3循环回收31.5.4尿液加工4第二章 工艺计算52.1水溶液全循环法物料流程物料衡算条件的确定52.1.1计算基准52.2.3选择数据62.2.4计算过程62.2.5列物料衡算表72.3热量衡算72.3.1计算任务72.3.2计算数据72.3.3计算过程82.3.4列热量衡算表8第三章 尿素合成塔结构型式与制造工艺分析103.1高压筒体结构型式的选择103.2上、下封头的结构11第四章 尿素合成塔设备和内件材料的选择124.1尿素合成塔密封结构的选型12成塔材料的选择原则12第五章 尿素合成塔的结构设计计算145.1尿素合成塔的有效容积145.2筒体设计计算145.2.1设计条145.2

9、.2强度设计计算145.3.2主螺栓载荷计算175.3.3主螺栓及主螺母的设计计算195.4筒体端部法兰的设计计算215.4.1法兰的结构型式215.4.2法兰的材料选择215.4.3法兰的尺寸结构215.4.4法兰强度校核235.6.1封头材料的选择285.6.2封头设计计算285.7裙座295.7.1裙座材料的选择295.7.2裙座结构的选型295.7.3人孔305.7.4裙座尺寸的确定305.8.3塔板结构30第六章 开孔及开孔补强306.1接管306.1.1接管材料306.1.2塔釜进气管内径计算306.1.3接管壁厚306.2开孔306.3开孔补强计算306.3.1开孔补强原理306

10、.3.2CO2接管开孔补强306.3.3NH3接管开孔补强306.3.4甲铵管开孔补强30第七章 塔设备强度设计及稳定校核307.1塔体自振周期的计算307.3地震载荷和地震弯距307.3.1地震载荷307.4.1各种载荷引起的轴向应力307.4.2校核30结论30参考文献30致谢30四川理工学院毕业设计第一章 概述1.1尿素及其生产概况尿素工业化生产以来的百余年间，一直是肥料工业的主要产品。本设计是以年产7万吨尿素，二氧化碳气提法化工工艺的设计，也介绍了尿素的性质、用途、生产方法和市场烦人发张情况。尿素生产以煤为原料，采用改进型二氧化碳气提工业。尿素合成中有二氧化碳压缩、液氨升压、合成和气提

11、、蒸发、解析和水解以及造粒等工序，主要进行了尿素的工艺计算。1.2尿素主要用途尿素产品用途广泛，其主要用作农业，工业上还用作制造脲醛树脂、聚氨酯、三聚氰胺、甲醛树脂的原料。在医药、炸药、制革、浮选剂、颜料和石油产品的脱蜡等方面也有广泛用途。据统计，我国现有尿素生产企业200多家，规模大小不一，我国氮肥企业中90%采用煤为原料，因此近年来产能发展较快。尿素在国内的生产情况：2009年7月，全国尿素产量为263万吨，08年同期为229万吨。我国尿素新上项目大多采用先进的煤气化技术，一些靠近原料产地（天然气、煤）的企业具有较强的成本优势和市场竞争力。因此，尿素行业新一轮优胜劣汰势在必行，资源和市场整

12、合步伐也将加快。1.3尿素的性质1.3.1尿素的物理性质尿素化学名为碳酰二胺，其分子式为CO(NH2)2。纯尿素为无色，无味，无臭的结晶体。含氮量为46.64%，是固态氮肥中含氨量最高的一种氮肥。在造粒过程中，若高温(高于133)处理，会产生缩二脲，缩二脲含量超过2时，对作物种子和幼苗均有毒害作用。尿素易溶于水，20时，100公斤水中可溶解105公斤尿素。工业产品为白色或浅黄色的结晶。尿素的比重为1.335（20）自然堆积的尿素每重0.70.75吨，或称堆积比重为0.70.75。粒状尿素堆积时，其斜面与水平面成2527角，这角度称为堆积角。易溶于水。溶于水时需吸收热量，每溶解1克尿素需吸收57

13、.8卡热量。固体尿素加热到132.6时（1大气压下），开始熔化，熔化时吸收的热称为熔融热。尿素熔融热为42.1卡1克。继续加热熔化尿素时，部分尿素将分解汽化，同时在熔融尿素中生成缩而脲、缩三脲、三聚氰酸等缩和物。在加压、高温，或在催化剂存在时，尿素能缩合成三聚氰胺。1.3.2尿素的化学性质1.3.2.1 呈微碱性，可以与酸作用生成盐。但尿素不能使一般指示剂变色。1.3.2.2水解作用：在酸性、碱性或中性溶液中。在60C以下，尿素不发生水解作用。随着温度的升高。水解速度加快，水解程度也增大（在80，一小时内可以水解0.5%；110，一小时内可增加到3%）。水解作用可以视为如下的反应：CO(NH2

14、)2+H2ONH4COONH2NH4COONH2+H2O(NH4)2CO3(NH4)2CO32NH3+CO2+H2O1.3.2.3缩合反应：尿素在高温下可以进行缩合反应，生成缩二脲，缩三脲和三聚氰酸。1.3.2.4与甲醛的缩合反应：尿素和甲醛作用生成尿甲醛缩合物，此缩合物可作为尿醛塑料的原料，也是一种很好的缓效肥料。1.4二氧化碳气提法生产尿素二氧化碳气提法是20世纪60年代后开发的生产工艺，现已成为世界上建厂最多，生产能力最大的生产方法，它的主要特点如下：采用合成等压的原料二氧化碳气提以分解未转化的大部分甲胺和游离氨，残余部分只经过一次低压加热闪蒸分解即可，从而失去了操作条件苛刻、腐蚀严重的

15、一段甲胺泵缩减了流程和设备，并使操作控制简化。高压冷凝器与合成等压下冷凝提气，冷凝温度较高，返回合成塔的水量减少，有利于转化率的提高，同时有利于冷凝过程生成甲胺时放出的大量生成热和冷凝热来副产低压蒸汽，除汽提塔不需要加热外，低压分解、蒸发分解等工序都可以利用副产蒸汽，从整体上看可以降低在蒸汽的消耗及冷却用水量。二氧化碳气提法中的高压部分，如高压冷凝器的甲胺液来自高压洗涤器的甲铵液，均采用液位差使液气物料自留返回合成系统，不需甲胺泵输送，不仅可以节省设备和动力，且操作稳定。但为了造成一定的液位差就不得使设备之间保持一定的液位差。因此也需要巨大的高层结构来支撑设备。由于采用二氧化碳气提法，所选用的

16、合成塔操作压力较低，因此节省了压缩机和泵的动力消耗，同时也降低了压缩机、合成塔的耐压要求，便于采用蒸汽透平驱动的离心式二氧化碳压缩机。对强化设备的生产能力，和提高热能利用十分有利。在整个流程中循环的物流量较少，动力消耗较低。但是较低的氨碳又使得高压部分对设备的腐蚀严重。另外，因氨碳较低，氨量少，故缩二脲生产量高。1.5工艺流程介绍1.5.1二氧化碳压缩来自脱碳工段的二氧化碳气体经分离器分离后进入CO2压缩机；经五段压缩至21.61Mpa，气体温度约为125，送往尿素合成塔。1.5.2氨的输送和尿素合成原料液氨经过氨过滤器过滤后进入液氨缓冲槽的原料室中。由中压循环系统返回的液氨，进入液氨缓冲槽的

17、回流室。一部分作为吸收塔的回流氨，多余的液氨流过溢流隔板进入原料室，与新鲜原料氨混合。混合后的液氨进入高压液氨泵，被加压到21.61Mpa，然后去液氨预热器加热至4060进入尿素合成塔。原料CO2气体、液氨、循环回收工序来的甲铵液同时送入尿素合成塔底部，其组成NH3/CO2=4.1、H2O/CO2=0.65，在约为21.57Mpa（绝压），190的条件下合成。气液混合物自下而上经等温内件及多块塔板，保证2540min的停留时间，约有63%的CO2转化为尿素。1.5.3循环回收尿素合成塔的反应产物经减压至1.765Mpa后进入预分离器，在此分离出闪蒸气体后，溶液自流至预蒸馏塔，与来自一段加热器的

18、热气体逆流接触，进行蒸馏，使液相中的部分甲铵与过剩氨进一步分解、气化，同时气相中的水蒸汽部分冷凝，蒸馏后的尿液自下而上进入蒸汽加热器管内，在蒸汽的加热作用下约88%的甲铵在此分解。预分离器分离出的气体至一段吸收外冷凝器。预蒸馏塔底排出的液相减压后至二段分解塔。来自预蒸馏塔的气体与二甲铵液在降膜式真空预浓缩气器的热能回收段加热尿液，出热能回收的气液混合物与预分离气体混合后进入一段吸收外冷凝器，在软水的循环冷却作用下，气体发生冷凝，出一段吸收外冷凝器的气液混合物进入一段吸收塔，未被吸收的气体被来自惰性洗涤器的浓氨水与来自液氨缓冲槽的回流氨进一步吸收，一段吸收塔顶排出的气体氨进入氨冷凝器，不凝气体至

19、惰性洗涤器，在惰性洗涤器内被来自二段循环第二冷凝器的氨水吸收，尾气经减压后至尾气吸收塔。惰性洗涤器排出的氨水至一段吸收塔顶部，一段吸收塔底部的浓氨基甲酸铵溶液用高压甲氨泵加压后至尿素合成塔。预蒸馏塔排出的尿液经减压后至二段分解塔，与来自二段分解加热器的气体逆流接触后进入加热段被蒸汽加热，分解尿液中残留的过剩氨和甲铵。出加热段的气液混合物经分离后，尿液经减压后至降膜式真空预浓缩器，二段分解塔顶排出的气体与来自水解系统的解吸气混合后进入二段循环第一冷凝器，被二段蒸发表面冷凝液吸收，生成的二段甲铵液由甲铵泵送往真空预浓缩器的热能回收段。出二段循环第一冷凝器的气体在二段循环第二冷凝器内继续被二段蒸发表

20、面冷凝液吸收，生成的氨水由氨水泵送往惰性洗涤器，尾气至尾气吸收塔。惰性洗涤器与二段循环第二冷凝器的尾气混合后进入尾气吸收塔被碳铵液吸收后进入碳铵液槽贮存，尾气通过放空总管放空。1.5.4尿液加工二段分解塔排出的尿液经减压后切线进入真空预浓缩蒸馏器的分离段，在0.044Mpa压力下，尿液中所含残余的CO2、游离氨以及大部分水分蒸发出去，与液体经分布器，从换热管顶部沿管内壁向下流动形成液膜，避免蒸发的蒸汽逸出液膜表面到管中心的空间，在真空抽吸下向上流动，液膜沿管壁流下。预蒸馏塔出口气相与二段甲铵夜在真空预浓缩器克侧反应，将尿液浓度有76%提高到96%（重量分数），真空预浓缩器的尿液流至收集槽，通过

21、尿液给料泵送往蒸发分离器，在0.003Mpa（绝压）下，被浓缩到约为99.7%（质量分数）的熔融尿素，再由熔融尿素泵送往位于造粒塔顶部的旋转喷头进行造粒，造粒塔底部得到的成品颗粒尿素由皮带输送机送至包装系统进行包装。图1-1 水溶液全循环法尿素工艺流程简图31第二章 工艺计算尿素生产过程的物料衡算同其他化学过程的物料衡算一样，根据质量守衡定律，通过计算求得加入个设备和离开各设备的物料各组份的成份、重量和体积。为进一步进行热量衡算、设备计算、化工管道计算等提供定量的依据。2.2.3选择数据尿素回收率60%；NH3 的转化率80%；纯循环氨基甲铵90%；CO2的转化率80%；循环氨基甲铵转化率10

22、0%。2.2.4计算过程生成尿素的物质的量为：=6862kmol=411720kg生成水的物质的量为6862kmol=123516kg纯循环氨基甲铵的物质的量为6862kmol =535236 kg原料中循环氨基甲铵的物质的量为：=7624kmol=594750kg原料的物质的量为：=76244 kmol进料中NH3的物质的量为：60%=45746kmol=555333.9kg表2-1物料衡算表物料名称相对分子质量输入输出质量/ kg物质的量/kmol质量/ kg物质的量/ kmolNH317555333.932666.7111066.786533.34CO244718665.216333.3

23、143733.043266.66NH2COONH478424663.25444.41273997.416333.3CO(NH2)2602940004900H2O18882004900总计1698662.354444.41910997.2235933.32.3热量衡算年产7万吨水溶液全循环法合成尿素中第一反应器的物料衡算数据作热量衡算。2.3.1计算任务输入热量和输出热量2.3.2计算数据98K标准生成热如下：NH335.65CO237.12NH2COONH469.37CO(NH2)26.75H2O33.57根据Cp,m=a+bT+cT或Cp,m=a+bT+cT计算初始温度为25升到180时的C

24、p,m，热损失为反应放热量的10%。Cp,m(CO2)=44.14+9.04103 4538.5410-54532=4095164=4.1103kJ/(mol.K)Cp,m(NH3)=26.79+25.48103453+(1.665)4532=1.15104kJ/(mol.K)Cp,m（H2O）=30.12+11.3103453=5.12103kJ/(mol.K)2.3.3计算过程298K反应热效应：rHm1=21.9+393.51+246.19=463.99 kJ/(mol.K)rHm2=285.838333.19+21.9=597.13 kJ/(mol.K)Q(298K)放热=rHm=32

25、666.7103(463.9980%597.1320%)=8.22106MJ程建设中往往是由工程公司或用户提出设计条件（数据表或条件图）与制造单位签订合同后由制造单位自已进行尿素合成塔结构施工图设计，设计的施工图由工程公司或用户审查确认后即可投料制造。因此，具体的尿素合成塔结构型式往往是由制造厂决定的。尿素合成简图八所示，主要由高压筒体、上下封头，底部封头物料接管与封头的连接、人孔密封结构、检漏系统、内件等组成。现对这些主要结构简要介绍。3.1高压筒体结构型式的选择尿素合成塔的高压筒体是提供尿素生成必要的空间，是该设备的主体。它承受着高压、高温和强腐蚀介质的作用。由工艺条件确定筒体内径和容积，

26、扣去上下封头的内容积，即可决定筒体的净长度。筒体的长度在整个尿素合成塔的造价中占有重要的份量。对于大型尿素生产装置，尿素合成塔的直径、长度和重量成为运输安装的主要难道。我国在这方面已经积累了丰富的经验，制造、运输和安装技术已达到世界先进水平。尿素合成塔筒体由碳钢外层和不锈钢内层组成。其组合型式可以是多种多样的，主要有以下几种类型：1）单层外壳，松衬不锈钢衬里层。2）单层外壳、爆炸衬里不锈钢层。3）热套多层壳体，热套内层不锈钢衬里层或松衬不锈钢衬里层4）多层包扎焊接壳体，松衬不锈钢内层。5）以不锈钢作为内筒外层直接包扎焊接炭钢多层层板。等等。但经过多年的实践和比较，目前用的最多的，最可靠的结构型

27、式是以不锈钢作为内筒外层直接包扎焊接碳钢层板及内筒热套不锈钢衬里后再进行热套焊接的筒体结构。以不锈钢衬里作为内筒的热套焊接式筒体的优点是制造工艺简单、衬里层与外壳碳钢层的贴紧度高、在操作压力下不锈钢内筒由套筒产生的压应力与内压引起的拉应力相互抵消，使内筒应力大大降低，甚至为压应力，降低了产生应力腐蚀的可能性。而这一特点在松衬内筒的尿素合成塔中是无法得到的。其次，内筒的不锈钢衬里纵焊缝可以在塔外制作，并进行X光射线探伤和内外侧着色探伤，有缺陷时返修方便且彻底，可充分保证主焊缝的质量。这是确保尿素合成塔避免过早腐蚀泄漏的有力措施。为了保证不锈钢衬里层外壁在焊接外层碳钢时免受污染和产生低碳马氏体，位

28、于不锈钢和套筒之间设置一层过渡层（通常叫盲板）。盲层板的纵焊缝不全焊透，只间断焊，且根部有一窄垫板，使焊缝可与内筒隔离。焊道表面不高于盲板外园，以便作为将来的检漏通道。在盲层板的内壁也开出纵横交错的沟槽，作为检漏通道。在强度计算时，衬里层及盲层板均不计入受力厚度，实际上这也是增加了安全裕度。3.2上、下封头的结构素合成塔上下封头可以采用整体锻件加工而成，也可以采用厚板冲压成形。从节约材料和改善受力状况考虑，与其他高压容器一样，绝大多数采用半球形封头、球曲或半使用，它的优点是如同多层高压容器筒体一样，采用薄板重叠后冲压成形，或采用逐层冲压成形后叠合焊接包扎至所需厚度的方法成为多层球封头。如采用逐

29、层重复冲压成形工艺，则可大大减少厚板冲压所需的大吨位水压机。同时，薄板的质量比厚板优良，所有焊缝可以互相错开，不用消除应力热处理，虽较费工，但总的成本相当，而且安全可靠性可以大大提高。是今后发展的方向之一。我国在1976年就制成过1400mm内径的高压乙烯球形贮罐，操作压力20Mpa，采用2层钢板叠合冲压成形的，在国内某化工厂使用至今未发生任何问题。单层厚板制造的球封头，若采用分瓣冲压成形后组焊的工艺，优点是冲压力小，减薄量少，一般不可能有废品。但拼装的工作量大，焊后可能产生的变形，影响了球封头内外表面的圆球度，需要机械加工，否则不利于内表面的不锈钢衬里（带极堆焊或爆炸衬里、机械衬里），所以一

30、般采用整体冲压成形。第四章 尿素合成塔设备和内件材料的选择4.1尿素合成塔密封结构的选型筒体与顶部封头间采用双锥密封。双锥密封是一种半自紧式密封，其结构简单、密封可靠，加工精度要求不高，制造容易，可用于直径大、压力和温度高和容器。在压力和温度波动的情况下，密封性能也良好。双锥密封的优缺点：了增加密封的可靠性，双锥环密封面上开有23条半径为11.5mm,深为1mm的半圆形沟槽。双锥环置于筒体与顶盖之间，借助托环将双锥环托住以便于装卸，托环是用螺钉固定在端盖底部的。顶盖的圆柱面对双锥环起支承作用，它与环的内表面之间有间隙e ,此间隙一般应控制在（0.0010.0015）D1范围内（D1为双锥环内径

31、）。预紧时，双锥环被压缩贴向顶盖，与圆柱面成为一体，以限制双锥环的变形。圆柱面上铣有纵向沟槽，以便压力介质进入，使双锥环径向扩张，从而起到径向自紧作用。近年来，双锥密封在国内得到广泛应用，无论在制造上和使用上均得到满意的结果。双锥密封一般使用范围：p35MPa D2000mm35Mpap70MPa D1000mm70MpaP100MPa D600mm使用温度 04004.2尿素合成塔材料的选择原则在尿素生产过程中的物料，大多数具有腐蚀性或强烈腐蚀性，因此生产尿素用的机器、设备、阀门和管道、管件的材料时应首先考虑材料的耐腐蚀性能。在选择尿素用材料一般根据生产过程中的使用条件腐蚀性中选用。合成塔材

32、料在尿素用材料中属第一类材料。第二类材料用于操作压力为132250公斤/平方厘米，温度为1802000C，介质为NH3、CO2、尿素-甲氨水溶液的设备和管件，适用于第一类的材料有以下几种：铁合金（包括镍、珞及其合金）、有色金属和非金属材料。对于需要经过焊接的设备和管件一般均采用前两个牌号的不锈钢。从安全和经济角度考虑，内管、包扎板尾、保护层材料均用16MnR（低合金结构钢），内筒衬里层用用OOCr17Ni14Mo2。第五章 尿素合成塔的结构设计计算5.1尿素合成塔的有效容积尿素合成塔设备工艺计算的目的是确定其有效容积，为设备结构设计提供依据。由于尿素合成过程较复杂，采用解吸方法计算过程较为繁琐

33、，工程设计中，可用确定尿素合成塔生产强度的方法来计算其有效容积。已知：CO (5-1)；式中：-多层圆筒内筒的名义厚度，mm；-多层圆筒层板总厚度，mm；-设计温度下多层圆筒内筒材料的许用应力，MPa；-设计温度下多层圆筒层板或带层材料的许用应力，MPa；-多层圆筒内筒的焊接接头系数，一般取=1；-多层圆筒板层或带层的焊接接头系数，热套式筒体=1.0。由于内层和层板材料均为16MnR，故=170MPa。 （5-2）；5.2.2.3筒体厚度 (5-3)；设计厚度为：名义厚度为：有效厚度为：上述各式中：C2-腐蚀余量，取C2=3mm；C1-厚度负偏差，对于16MnR，取C1=0；-计算厚度，mm；

34、C-圆整值。火铝，之螺栓材料选用35CrMoA，经调质处理，回火温度不得底于550。表5-1 材料的化学成分成分MnSiSPCrNiMoCu0.170.231.101.400.170.370.0350.0350.300.300.200.350.250.320.400.400.700.170.370.0350.0350.801.100.300.150.250.3图5-2 双锥密封结构1.主螺母 2.垫圈 3.主螺栓 4.平盖 5.双锥环6.软金属垫片 7.圆筒端部 8.螺栓 9.托环-双锥环内圆柱面直径，mm；-摩擦角，钢与钢接触=8.5,钢与铝接触时=15，钢与铜接触时=1031；y-垫片比压

35、力。表5-3 垫片比压力垫片材料y值MPa退火铝51退火铜86.6软钢127.446铬钢153选用铝为垫片，所以y=51MPa5.3.2.2双锥环操作状态时主螺栓载荷的计算双锥环自紧作用的轴向分力，由内压作用在密封环内表面的径向扩张力引起。可按下式求取： （5-7）；式中：b-双锥环有效宽度，m环的回弹力越大。最大回弹力： (5-8)；式中：E-双锥环材料的弹性模量，查相关材料手册，取E=189Gpag-双锥环与端盖间径向间隙g=(0.1%0.15%)D1=1.552.3265,取g=2mmf-双锥环截面积，mm操作状态压紧面上的摩擦力方向如上图（b）所示，压紧面上的法向力摩擦力的合主螺母结构

36、简图如下图5-6 螺母结构简图主螺母结构尺寸的确定螺母高度H：高压容器螺母比普通容器螺母高度高，一般取H为H=（1.01.1）式中螺栓公称直径，mm则H=（1.01.1）55=5560.5mm，可以取H=60mm螺母外圆直径D：D=（1.71.75）=（1.71.75）55=93.596.25mm，可以取D=95mm为了减少螺栓附加弯曲应力，螺母与垫圈之间采用球面接触，自动对中,其结构与材料可参考垫片标准选取。材料：螺母材料应该和螺栓材料相互搭配使用。对于螺栓材料为35CrMoA，根据工程经验，可供选择的螺母材料有：40Mn、30CrMoA、35CrMoA等，本设计选用40Mn作为主螺母材料。

37、5.4筒体端部法兰的设计计算法兰尺寸一般由结构型式决定，强度计算仅做校核之用。5.4.1法兰的结构型式D0Db+1.8dB螺孔的有效螺纹深度h1:h1（1.1.5）dB5.4.3.1dB52 h2=h1+20mmdB52 h2=h1+30mm5.4.3.2当=30时，hh2+0.5dB当=45时，hh2+dB5.4.3.3R0.8S（S为筒体壁厚）L=50mm（指和筒体对接焊接的端部法兰）；其中：Db-筒体端部螺栓中心圆直径，mm；D2-筒体端部密封圆外圆直径，mm；dB-螺栓公称直径，mm；D0-端部法兰外径，mm；-法兰异径部分半锥角，；h2-螺孔深度；mm；h1-螺纹有效螺纹深度，mm；

38、作用于筒体端部纵向截面的弯矩，可按下式计算： （5-11）； （5-12）；C=3腐蚀裕度，筒体端部纵向截面的抗弯截面模数可按下式计算： （5-13）；筒体端部计算图如下图所示：=式中：-筒体端部纵向截面抗弯模数，mm；-作用于法兰内径截面上的流体静压轴向力，N；F流体静压总轴向力，N；双锥环自紧作用的轴向分力与回弹分力之和，N；筒体端部纵向截面的弯曲应力校核满足要求。5.5筒体端部平盖的设计计算5.5.1平盖的选择材料常用的材料包括16Mn、20MnMo、15MnMoV、35、35CrMo、15CrMo、Cr5Mo等。本设计选用20MnMo作为平盖材料。5.5.2平盖的结构尺寸-平盖计算直径

39、， mm；W-预紧（操作）状态时螺栓所受载荷，N；-螺栓中心至垫片压紧力作用中心线的径向距离，mm；-设计压力，MPa；-设计温度下材料的许用应力，MPa；查相关手册取参考相关标准可取：h=150 mm，h1=120mm。5.5.3.2结构尺寸确定后，须对a-a环向截面的当量应力进行强度校核纵向断面的弯曲应力的计算： （5-22）；所以校核得知：该平盖满足强度要求。5.6底封头的设计计算压力容器封头的种类很多，分为凸形封头、锥壳、变径段、平盖及紧缩口等，其中凸形封头包括半球形封头、椭圆形封头、碟形封头和球冠形封头。因为半球形封头受力均匀，是最理想的结构形式，所以本设计采用半球形封头。5.6.1

40、封头材料的选择本设计采用16MnR作为底封头的材料。5.6.2封头设计计算5.6.2.1半球形封头的厚度计算按照下式进行计算： (5-25)；5.7裙座5-12 圆筒形裙座1.塔体 2.排气孔 3.裙座筒体4.人孔 5.螺栓座 6.基础环塔体常用裙座支承，裙座的结构性能好，连接处产生的局部应力也最小，所以它是塔设备的主要支承型式。5.7.1裙座材料的选择由于裙座不与介质直接接触，也不承受容器内的介质压力，因此不受压力容器用材所限，可以选用较经济的碳素结构钢。常用的裙座材料为Q235-AF和Q235-B。考虑到Q235-AF有缺口敏感及夹层等缺陷，因之仅能用于塔在常温操作，裙座设计温度高于-20

41、C，且不是以风载荷或地震载荷确定裙座壁厚的场合（如高径比小，重量轻或置于框架内的塔）。故本设计选用Q235-B作为裙座材料。5.7.2裙座结构的选型为了制作方便，裙座一般选用圆筒形。对直径小又细高的塔（当Di1m，且），为了提高设备的稳定性及降低地脚螺栓和基地环支承面上的应力，可采用圆锥形裙座。和安全性，取裙座厚度，基础环厚度，螺栓的公称直径为M48。5.8塔板尿素合成塔内的塔板有筛板和螺旋板。在塔内设置这些塔板可消除或减轻流体逆向混合，使物料近于列流。同时,可将塔间隔成物料混合均匀的若干塔段，并使物料通过小孔时增速，既有防止返混作用，又有对物料的搅拌作用，使物料混合均匀，接触充分。5.8.1

42、塔板的材料选择考虑到介质的强烈腐蚀性，选塔板材料为00Cr17Ni14Mo2。5.8.2塔板数的确定试验证明，塔内塔板数愈多，二氧化碳转化率愈接近理论转化率。塔内由无塔板增至13块时。转化率增加较大，若继续增加塔板数，转化率亦随之增加，但增加速度较慢，至塔内塔板数增至10块以上后，如再增加，转化率的变化就很小了。故目前国内尿素合成塔为210块，如下图所示。第六章 开孔及开孔补强6.1接管6.1.1接管材料本设计中，考虑到介质具有腐蚀性。均选用00Cr17Ni14Mo2。.6.1.2塔釜进气管内径计算生产能力：G=9.72。转化率62%。查物料衡算表格得，液体（甲铵）进入量为：1275.459公

43、斤合成塔内气体进入量为： 735.05公斤原料 568.31公斤循环液770.542公斤出塔尿素 1010.04公斤，则K=9.72/1.01=9.62所需进气量：14.632073.902=19958.74所需进液量：14.631275.459=12269.926.1.2.1进气管（）内径计算：523.838公斤，6.1.2.4出口管内径的计算：3357.6189.72=32636.05公斤,液速取为u=1m/s6.1.3接管壁厚在本设计中选用00Cr17Ni14Mo2作为接管的材料，在198C下的许用应力出口管: 腐蚀裕量取:=2mm, mm ,圆整为0mm,则则圆整后得：液氨管456， 进液管608， CO2管456 ，出口管10886.2开孔底封头开孔底封头开四个孔，液氨接管孔、CO2接管空、甲铵接管孔。确定了孔中心分别为A、6.3.1.3锥壳（或锥形封头）上开孔最大直径，为开孔中心处的锥壳内直径。最小补强面积A对受内压的球壳，所需补强面积为：式中:A开孔削弱所需的补强面积，D开孔直径，等于接管内直径加2倍厚度附加量，mm壳体开孔处的计算厚度，mm接管有效厚度，mm壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积。 (6-5)；接管有效厚度减去之外的多余面积。 (6-6)；有效补强区内焊缝金属的截面积。有效补强区内另外再增加的补强元件