氨合成塔说明书

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 known 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, the 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 knowledge, 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 calculation of intensity；ancillary equipment design目录摘 要IAbstractII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334.1.2 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。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3。图2.1 氨合成流程图2.2工艺条件(1) 气体处理量:80000Nm3/h(2) 原始数据：设计压力：29.4MPa 设计温度 ：200塔内径：800 换热器的设计参数壳程入口温度：60 出口温度：360管程入口温度：4702.3 物料衡算气体处理量kmol/h，假设进塔气成分为 61.5, 20.5, 2.6, 15.4,出塔气氨含量为14.计算基准：100公斤分子进塔气体NT1=100 y1=0.026 y2=0.14由下式计算氨产量公斤分子 （2-1）出塔气体流量公斤分子出塔气体成分 其中H2=0.6889=0.5167N2=0.6889 =所以出塔气体成分为：51.67,17.22,14,17.11.由下式计算合成率 （2-2）合成率为24.39。2.4 热量衡算设进塔气体温度为30，操作压力为29.4MPa,热损失不计，假设出塔气温度为178。进塔气体平均温度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104时得热容为7.4千卡/公斤分子。由图943查得178时千卡/公斤分子1。由下式: (2-3)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200，故其选材只需考虑机械强度、焊接性能和冷热加工性即可。筒体：内筒直接与介质接触，要求防腐蚀好、耐高压、高温，可选用0Cr18Ni9外部层板不与介质接触且要求强度高、韧性好，可选用15MnVR。上端盖：需要具有耐氢腐蚀的性能材料，且应使平盖厚度尽量减小些，选用强度较好的20MnMoNb即可，上端法兰及下端的球形封头须锻造和冲压，要求强度好、耐腐蚀的材料，可选用18MnMoNbR。换热器的管板：换热器、壳体、挡板、隔热板等重要部件应采用Cr18Ni9，而麻花铁等辅助部件选用AF（普通碳素结构钢）即可。触媒筐及、花板、壳体、中心管、冷气副线等均可采用Cr18Ni9。对于其他的一些辅助部件的材料选则见装配图的明细表。43.2触媒筐方案计算3.2.1已知条件 (1) 操作压力：294大气压 (2) 进塔气成分：氨含量 氨分解基惰性气4 氢氮比为3 (3) 采用A6型触媒，粒度以3344毫米的为主，还原后床层高度收缩量取为3%。3.2.2 内件结构选型触媒筐是氨合成塔的心脏，它的设计好坏直接影响合成塔的产量和消耗定额，一个好的触媒筐设计应具备如下要求： (1) 能保证触媒筐在升温还原过程中均能得到充分的还原，尽可能的提高触媒的活性，达到最大的生产强度。(2) 能有效的移走反应热，合理的控制触媒层的温度分布，使其逼近最佳的操作温度线，并进可能的缩小同平面温差，提高氨净值和触媒的使用寿命。(3) 能保证气体均匀地通过触媒层那嘎，阻力小、气体处理量大、提高氨产量。(4) 充分利用高压空间，尽可能多装触媒，提高容积利用系数。(5) 操作稳定、调节方便，能适应各种操作条件的变化。(6) 结构简单、运转可靠，装卸触媒方便，制造、安装和检修方便。(7) 妥善处理各种内件的连接和保温，避免产生热应力，允许内件在塔内能自由胀缩等。触媒筐的类型主要有：(1) 单管逆流式触媒筐 它结构简单、操作方便，但热点温度高、尾部温度低，偏离最佳温度线，触媒利用率低，它适合高空速氨净值中等以及进口氨含量较高的场合。(2) 并流双套管式触媒筐 它有绝热层，故触媒层上部升温速度大于单管逆流式，合乎氨合成塔触媒进口温度远低于相应的最佳温度而需要迅速升温的要求，这种形式的触媒筐结构可靠、操作稳定；但当要求操作面积增大时，冷管占据的触媒层体积较大些，这是这种结构的缺点，它进触媒层的温度也难于提高，因此它适用于操作压力较低，而氨净值较低和进塔循环气中氨含量较低的场合。(3) 并流三套管式触媒筐 它是在双套管的内冷管中衬一根薄壁内冷管，内衬管与内冷管内满焊，使得内衬管与内冷管形成一层死气层，致使冷气经内塄管上升是温度极低，进而提高了外冷管内气流与触媒的环热能力。是需换热面积比双套管小20，因而可多装触媒，但制造比较麻烦。(4) 单管并流式触媒筐 它的触媒层温度分布比较合理，冷管内气体稳定的热量于触媒层氨合成反应放热规律基本上相适应，即上部触媒层气体中氨含量低，远离平衡氨浓度，反应速度大，单位体积触媒放出的热量多，而上部冷管正好是温度较低的气体，移走的热量也少，互相适应。下部的触媒放出的热量少，而冷管移走的热量也少，也相适应。由于触媒层温度分布较适宜，所以触媒的生产强度较大。这种结构具有如下特点：取消了结构复杂的分布盒，使加工方便的多，也比较紧凑，同时把触媒筐与热交换起之间的无用距离缩至最小，使踏的容积利用系数提高，从而提高了氨合成塔的生产能力。冷关无套管，减少了套管所占触媒筐的容积，也提高了塔的容积利用率，同时冷管的配置不受管径盒分气盒的限制，可采用小管径、管数多的冷管方案，对减少径向温差有显著效果。结构简单，材料消耗少，不副产蒸汽等。本次设计为不副产蒸汽的一次合成塔，所以采用单管并流式，采用冷气先经中心管再进冷管的流向，以使塔下部触媒能得到较好的还原。但是其中的悬挂式触媒筐在还原末期应采用单管并流托架式触媒筐。43.2.3 触媒筐结构方案一般小型氮肥厂，原料气的净化不够好，上层触媒较易失去活性，因此本案采用较高的绝热层及稍高的热点温度，使得触媒在使用后仍能得到较好的利用。触媒筐的基本尺寸如下1：（单位未注明的皆为毫米） 外筒内径 505外环隙 8保温铁皮 2保温层 内筒 =456，内径中心管 =108，一根热电偶外套管 =下降管外套管 463，四根下降管内管 382，四根升气管 382，四根上、下环管 764，一根 环管中心圆 260，一根冷管 222，46根上绝热层触媒装载高度（还原前）1440冷管层触媒装载高度 （还原前）3570下绝热层触媒装载高度（还原前）500冷管传热面积A 9.98米2触媒体积V 0.678米3比冷面 14.7米2米3外筒容积 1.4105米3触媒装载系数 48入塔气量为80000Nm3/h.触媒床进气温度选为420，只考虑触媒床随中心管、下降管、冷管和外环隙的传热，其余略去不计。3.2.4 各传热系数的计算(1) 上绝热层触媒床对中心管传热总系数的计算.上绝热层床层截面积：公斤分子小时0.9917公斤分子秒当=0.026时,气体平均分子量M1=10.7触媒床内气体重量流量=0.9917公斤秒触媒床内气体重量流速G=公斤米2秒触媒平均直径取为0.004米，形状系数=0.33,由下式得：米 (3-1)假定出上绝热层气体中氨含量为0.103,温度为510,则上绝热层平均温度为465,平均氨含量为0.0665,据此计算的气体物性数据分别为=8.26千卡/公斤分子;=300公斤/米秒;千卡/米小时.由下式计算触媒床对中心管管壁的给热系数. (3-2) 为床层对中心管的当量直径Dt=米还原后触媒床高度L=1400*（10.03）=1.397米所以中心管内气体对管壁的给热系数:中心管内装4根8电热丝和 1根15定位架.中心管通气截面积中心管当量直径=管内气体重量流速G=公斤米2秒中心管内气体平均温度假定为310,计算得气体物性数据为千卡/公斤分子;公斤/米妙;千卡/米小时.由下式计算中心管内气体对管壁得给热系数. (3-3)千卡米2小时中心管平均直径米 污垢系数取为0.0005()= (2) 上绝热层触媒床对下降管传热总系数Kbi的计算下降管由四组套管组成.管隙内为死气层,按不流动的气体计算其导热,由上式计算触媒床对下降管管壁的给热系数;Re= 5.59 与计算()时相同D为床层对下降管的相当直径=2.17（）6114千(卡米2小时)内管里面的气体对管壁的给热系数：假定管内气体温度为315,则气体的物性系数为=7.75千卡/公斤分子;公斤/米妙;13千卡/米小时.内管中气体重量流速G=千卡公斤分子由式（3.3）文献1计算内管中气体对管壁的给热系数=Pr=千卡/米小时死气层内气体导热系数为0.13千卡/米小时,死气层厚度为0.001米,套管平均直径0.04米，则 (3) 冷管层触媒床对中心管传热总系数（）c的计算冷管层床层截面积触媒床内气体重量流速公斤/米2秒假定出冷管层气体中氨含量为0.16，床层平均温度为490，则平均氨含量为0.132，据此计算气体的物性数据得：公斤/米秒 千卡/米小时.床层对中心管得相当直径 触媒还原后床层高度收缩量=米收缩高度体现在冷管层中,故还原后冷管层触媒高度为 L=3.57-0.112=3.448米 2.17（4761）1310（千卡/米小时）中心管内气体对管壁得给热系数,近似的认为与绝缘层中的相同为2125千卡/米2小时. (4) 冷管层触媒床对冷管的中传热系数的计算床层对冷管的相当直径 2.17（4761）2158（千卡/米小时）冷管内气体对管壁的给热系数:冷管总通气截面积=46冷管内气体重量流速G=公斤/米2秒假定冷管内气体平均温度为375,据此计算得气体物性数据为C=7.855千卡/公斤分子;公斤/米妙;138千卡/米小时.0.5038千卡米2小时千卡米2小时3.2.5 对计算结果进行校验(1) 各假定条件的校验，见下表。表32条件的校验项 目假 定 值计 算 值假定值对计算值的误差上绝热层出口气体氨浓度0.1030.10052.5上绝热层出口气体温度510513.70.72冷管层出口气体氨浓度0.160.15850.95冷管层内气体平均温度4904841.24冷管内气体平均温度3753801.32下绝热层出口气体氨浓度0.1650.16301.23下绝热层出口气体温度470466.10.84上绝热层中心管内气体平均温度3103130.97下降管内气体平均温度3153170.6假定值与计算值间误差很小，最大为2.5，因此可以认为原假定值是正确的，计算结果有效，不必重新假定条件调整计算。(2) 热平衡核算入热：反应放热 反应量 公斤分子由图943查得300大气压下，420时千卡公斤分子.所以 千卡出热：(1) 环隙间气体吸热 触媒床高5.5米千卡(2) 冷气体吸热 千卡(3) 热气体吸热 (4) 总出热 进、出热量基本相符。 (5) 生产能力核算合成塔产氨量357公斤分子小时6069公斤小时，放空、泄漏损失取为塔产量的5，则实际产氨量为6069公斤小时与前面的值基本相符，故此触媒筐可以满足要求并略有余量。3.3 热交换器的计算3.3.1 设备选型及设计条件(1) 设备选型：氨合成塔内氮氢混合气体在高温、高压合触媒作用下反应生成氨，反应后的气体温度很高，而进入合成塔的反映温度又很低，为了达到塔内合成氨反应的自身热平衡，合理安冷热交换、回收气体的热量，维持触媒层适宜温度，需要换热器通常在塔内换热，设在塔的下部【4】。合成塔内换热器主要有列管式、螺旋管式、波纹管式、平板式以及列管和盘管混合使用的形式，其中列管式较多，因为列管换热器坚固、制造工艺成熟，容易清理、修复，且选用材料范围广泛，但是它占据空间较大。塔内换热器要求换热效率高、占空间小，所以广泛采用了小管密排，减少泄漏短路，提高传热系数等强化传热措施和采用高校传热设备。合成塔内换热器的共同特点：换热器中均有一个冷气副线以控制和调节反应气进触媒层的温度。换热器换热的面积要有适宜的富裕量以获得最好的换热效果。列管式换热器是各种形式塔内换热器中使用较广泛较成熟的一种，它易于制造，生产成本较低，本次设计就选择列管式换热器，但要小管密排，减少应用空间，降低材料消耗，提高传热效率，减少规格，增加互换性。(2) 设计条件：壳程入口温度 60 出口温度 360 管程入口温度 4703.3.2 换热器热量计算利用热量衡算应有壳程介质吸收的热量等于管程介质放出热量，即。其中Q吸Ns ,根据所给气体处理量8000Nm3/h可得：Ns=由式来计算氨的产量。其中,ya1=0.043所以： Nt=Ns-Na=3571.43-326.66=3244.23Kmol/h由已知TRs=60，TCs=360, 平均温度为TMs=查1735附图（1526）文献6可得CPs=7.46Kcal/Kmol.假设出口温度为166，则平均温度为利用p=p计算管程介质各组分的分压p，其中Pt为已知28.6MPa,y为组分含量，已知：yH2=0.54 yN2=0.183 yNH3=0.148 yCH4=0.084 yAr=0.045 则：根据及上述五个分压值查1719726图1518文献6可得各组分的比热见下表：表33各组分的比热组分H2N2NH3CH4Ar含量5418.314.88.44.57.047.311.46312.554.997 (3-4)将上述各值代入下式Q吸Ns (3-5) (3-6) 得：TCt=166.29所得出口温度与假设温度很接近，假设成立。已知管程及壳程的组成见下表：表34管程及壳程的组成组成H2N2NH3CH4Ar壳程组分6320.74.384管程组分5418.314.88.44.5则管程及壳程的介质平均分子量Mt及s分别为：3.3.3 换热器有效长度的计算1.dcp确定换热管选用的管子，则其外径Dh=10mm内径dn-dH-故其平均直径dcp=2.换热面积F0的计算(1) 的计算（利用对数平均法） (3-7)(2) k的计算根据P=29.4MPa及TMs=210查图1738及附图16到18和附图1614文献6可得壳程介质各组的粘度及修正系数如下表：表35壳程介质各组的粘度及修正系数组分H2N2NH3CH4Ar含量6320.74.384127288320208403Ci10.9161.210.9561根据Pt6=28.6MPa及TMt=318,同样可查得管程介质各组分得粘度及修正系数如下表:表36管程介质各组分得粘度及修正系组分H2N2NH3CH4Ar含量5418.314.88.44.5141.86317.24255.56228.30426.02Ci10.95161.4061.0651将表中得值代入式 (3-8) 可得：t=0.54141.862.01+0.183317.2428.010.956+0.148255.5617.031.046+0.084228.316.031.065+0.045426.0239.9410.542.01+0.18328.01+17.030.148+0.08416.03+0.04539.94 =2.78110-5Kg/ms根据Ps=29.4MPa及TMs=210查1768,由附图（1717）文献6可得：利用1755中的修正对比状态法计算,根据TMt=318查1763,由附表（171）文献6可得管程介质各组分的修正临界常数见下表：表37临界常数组分H2N2NH3CH4Ar含量5418.314.88.44.5P大气压15.6833.517822948Tc(K)33.3126.2405.5239151.2ccal/ms*10-524.298.5544.830.327.1则需临界压力： 需临界温度： 需临界导热系数： 和查附图（175）文献6得，则:根据管径选择管得排列间距为13mm，呈正三角形排列，管数为2394根，在管中插4方钢而制成得麻花铁。则：管内当量直径为： 管内流通面积为：故壳程介质的平均流通截面积计算如下:取换热器与壳体内径为盘板外径为620mm,则有盘板与壳体间流通面积：取挡板间距为h=130mm,环板内径为D1=346mm,则环板与盘板间的平均流通面积为：而环板与固定管间的介质流通面积为（取固定管外径为133mm）： 其中D0为固定管外径,S6为最内圈换热管所在六边形面积，该六边形边长为104mm。根据要求所求平均流通面积为：故:将各步所得的参量值代入下式可得：3.3.4 计算总传热系数K将已得各值代入下式可得: (3-9)换热面积计算值Fo的计算： (3-10)换热管有效长度的计算:实际换热面积为：则3.3.5 换热器管板厚的确定1.载荷计算：查密度表可知钢的密度为已知触媒筐重3.5t,触媒重8.2t,又挡板间距可知环板为10块，盘板为9块（其中一块中间不开孔），冷气副线管外径为76mm，板厚3mm，则挡板重量为： 换热管重量为：换热器壳体重量为：假设上下管板的厚度不超过45mm，外径取为780mm,上板中心孔径为140mm,下板中心孔径为83mm,则管板重量为： 取保温板 冷气副线 固定板 连接管头及拉杆定距管的重量为：W=0.24t,换热器壳体保温层重量忽略不计，在上 下管板承受的重量分别为：上管板： 下管板： 上下管板单位面积所承受的重量为：上管板： 下管板：而管板所承受的压差为：故上下管板的设计载荷为：上管板：下管板：板厚计算：上管板厚度为：下管板厚度为： 2剪应力较核：上管板： 下管板： 显然剪应力小于许用值，故满足要求。3.3.6 换热管稳定性校核根据结构可知，触媒筐及触媒等上部内件的重量由换热管来承受，因而换热管成为压杆。保守的可将每根换热管简化成压杆模型，而实际上挡板也起到夹持加固的作用。因而，如果此种模型能满足要求，那么实际会更稳定。具体校核如下：1.根据换热器管板部分可保守的取换热管承种重为15t,故每根管承受载荷为2.根据已知得： 则： 代入下式得：显然：所得临界压应力小于任何钢材得比例极限。 显然：，故换热管是很稳定的，不会发生失稳现象。3.4 氨合成塔筒体设计选用扁平钢带倾角错饶式氨合成塔。选用多层包扎式圆筒。已知Di=800mm，设计压力29.4MP，设计温度200，内筒材料16MnR,层板材料16MnC，取C2=1.0mm，C1=0mm。壁厚在（1636mm）时。计算压力29.4MP0.4按式计算多层包扎式圆筒的厚度。式中：-筒体的计算壁厚，mm P筒体的设计压力，Pa,已知P=29.4MPa -筒体内径，mm,已知800mm -焊缝系数，1 设计温度下筒体材料的许用应力，MPa多层圆筒的组合许用应力为 (3-12)式中：内筒及层板的名义厚度，mm筒体的名义厚度，mm内筒及层板部分的焊接系数， 内筒及层板材料的设计温度下的许用应力MPa,其余符号同前。假设名义厚度内筒及层板材料的设计温度下的许用应力：, 则多层圆筒的组合许用应力为 则 因在（52145mm）,所以，圆整。取层数为8层，则每层厚度为10.5mm.3.5 氨合成塔封头的设计3.5.1 封头的结构形式封头的形式有平盖和凸形盖，在相同的情况下平盖所承受的盈利要比凸形封头大得多（而）。因而在相同得设计条件下，平盖的厚度要比凸形盖厚得多。但是由于平盖封头的加工制造要比凸形封头容易得多，尤其是对厚度大而直径小的封头。冲压凸形封头时非常困难的，此次设计的的塔，其上要安装电加热器等部件，所以上封头制成平盖封头较为合理。但其下部的封头要承受几乎接近内压所产生的内压力且在中心处开口，考虑同体等壁厚的情况，下部选择球形封头。3.5.2 封头的设计计算，圆整。考虑焊接、边缘连续及底部开孔削弱等因素，取球形封头壁厚与筒体壁厚相同，根据前述已知半球形封头内径为800mm，由工艺可确定下部开孔为。封头材料选用18MnMoNbR,在设计温度下许用应力为190MPa。下面进行强度校核： (3-13)显然：，满足强度要求。下面进行开孔补强计算：按式677中（811）标准计算:削弱面积为：有效补强面积为：显然：，故不需另加金属补强。3.6确定群座壁厚1.载荷计算:(1) 塔体重量载荷计算(2) 内件重量载荷 查表A5文献6，浮阀塔盘单位重载荷为750N/m3,由工艺条件知重塔共20块塔盘，故内件重量载荷为： (3) 保温层重量载荷 (4) 平台重量载荷 每隔10块塔盘开设一个人孔，共3孔，在人孔处应设置平台，n=3,每个平台呈半圆形，取平台宽B=0.9m,平台单位重量载荷q由表A-5查得1500N/m2文献6,则平台总重载：(5)物料重量载荷塔盘充液单位重载由表A-5知q=700N/m2;由工艺知塔釜液面高h0=0.6m，知物料单位体积重量载，则物料总重载:(6)附载重量载荷 Q6(7)充水重量载荷 Q7=4Di2H0 =0.7850.8232.0710000=161.12KN操作时重量载荷水压试验时塔得重量载荷最大，即：设备安装时重量载荷最小，即：3.7 风载荷计算全塔分成5段计算，各段风压由下式计： （3-14） 风压载荷在任意截面-上，引起得风弯矩计算。(1) 各段风压载荷计算结果列于表38。表38 各段风载荷计算结果段序01234取值依据段距00.40.411449912单位(m)K10.7式(A-1)K21.6式(A-1)q0(pa)500表(A-6)fi0.780.780.781.01.15表(A-7)hi(m)0.40.6353计算段高度K3(m)0.4平台数00111人孔处置平台000.80.80.8单个迎风面按0.8K4(m)000.530.320.53Def(m)1.41.41.931.721.93Def=D0+2u+K3+k4Pi(N)245367253048163730式(A-1)(2) 危险截面取00，11，22截面（图A37），危险截面上的风弯矩为：3.8 地震载荷的计算 这是一等直径的塔，且塔高，应按下式计算: (3-15)式中C为结构影响系数， C0.5; Q0是设备操作总重载荷Q0256.47KN，H为塔高12米；1为与塔基本自振周期T1有关的地震影响系数，因本塔为等直径壁厚，故按下式算T1 : (3-16)由表A8查得 ，将以上各值带入式（3.15）文献6，则得： 11截面得地震由下式计算： (3-17)式中，h是11截面距地面高，h=0.4m,则：22截面的地震弯矩由式（A10）计算3.9 各种载荷产生的轴向应力计算表39 危险截面轴向应力的计算值应力MPa截面计算依据及说明001122设计压力引起的轴向应力（MPa）-15=7.53据式（A-15）；式中质量载荷引起的压应力（MPa）按式（A-16）;近似取最大弯矩产生的轴向应力（MPa）按式（A-17）3.10 塔体强度及轴向稳定性校验塔体与裙座连接处22截面为危险截面122截面的抗压强度及轴向稳定性验算据式： (3-18)式中，取和B值小者，因为185MPa，B值由由资料1图105文献6：B，故取B180Mpa.代入上式：1.22+0.87=2.09MPa,结论安全。222截面的抗拉强度校验据式： (3-19)式中，代入各数值：7.53-1.22+0.87=7.18,故结论安全。3水压试验时塔体强度校验水压试验应力应满足的条件为：故结论安全。充水后轴向压应力的强度和稳定条件为：由式： (3-20)式中: 则：结论安全。3.11 裙座强度及轴向稳定性校验裙座危险截面取在座圈基底00截面和人孔强度减弱处11截面。1.操作时00截面的最大组合轴向应力应满足的条件按下式计算： (3-21)式中:将各数值代入条件式：2. 水压试验时00截面轴向组合压应力校验 (3-22)式中，偏心力矩代入上式：3.12 基础环设计1. 基础环的内外径计算按下式选取：外径内径按式（A28）校验：（混凝土强度表） （3-23）式中，代入各数值，则：取:（取100号水泥由表A-9）结论：所选可行。2.基础环厚度的计算采用无肋板结构，按下式计算： （3-24）式中，为基础环材料的许用应力，材料选用16MnR, 将=490MPa，代入上式：。3. 基础环螺栓计算由受力分析可知当地脚螺栓承受的是拉应力时，塔有可能倾倒，此时地脚螺栓起到约束塔倾倒的可能，螺栓的根径用下式计算： （3-25）式中B取之中较大者。是螺栓材料的许用应力，按16MR取170Mpa；腐蚀余量C=3mm;n为螺栓数，取n=12,则：查表A13知：地脚螺栓根径为23.75mm,满足要求。4.螺栓座尺寸据地脚螺栓公称直径，参阅查表A14文献6. 5.接管表裙座入口400 温度计口32 气体进口450加料口100 压力计口25 气体出口150回流口100 取样口25 液面计口15出料口125 备注 ：基本风压 500Pa地震烈度 7壳外保温厚100mm保温材料：第4章 氨合成塔的安装和维护检查4.1 氨合成塔的安装4.1.1 底座的安装1.合成塔塔体以自重座落在底座的环形承重面上，底座的承重面的水平公差应小于0.15mm/m;2.对承重面上的六点进行五次测量；3.进行参考校核；4.在每次测量后应随即将平尺及方水平同时调转180，取得后一次误差，将相同两点的前后两次误差的平均值作为正式的水平误差；5.测量用的块规应非常精确，否则应随同平尺一起调转180；6.由于塔重及地角螺栓的拧紧力对基础由较大的压力，所以底座使用的堆数及面积均需经过计算；7.使用的垫板应为钢或铸铁，承重面应经过加工，最薄的铸铁垫板厚度不得小于35毫米；8.不得使用型钢、混凝土及砖的垫板，也不得采用无垫板安装法；9.放置垫板处的混凝土表面应铲平，铲平的面积应比垫板大，垫板必须放置在底座的承重处，并尽量靠近地角螺栓；10.地角螺栓的油垢、尘土、杂物及积水应彻底清除，垫板、地角螺栓及混凝土相接触处的铁锈、油垢应清楚干净；11.经过找平与找正的底座应立即惊醒灌浆，灌浆应符合图件的技术要求，灌浆前应把每组垫板进行点焊固定；12.底座安装允许误差：标高误差应小于10mm，中心误差应小于10mm，承重面水平误差不超过0.15mm/m；13.地角螺栓灌浆后，得到土建部门许可即可拧紧地角螺栓，拧紧时不得使已找平找正的底座发生偏差，当用0.51.0公斤小锤轻敲各组垫板，不得有松动与位移现象；14.使用钢垫板得最小厚度应小于1mm，每组垫板不得超过三层。4.1.2 外筒的氨装1.外筒平放在枕木上，放置时不得使筒体变形；2.卸下的零件均应有次序的放置，并设专人管理，严防丢失和损坏；3.随筒体进行清洁、组对和试压：清洗前应将全部要拆卸的零件用钢引打上标记，便于以后按原位安装而不至于紊乱，并应特别注意：大直径的高压螺栓、螺母及垫圈应避免调换；不得在工作面上打标记，如无法打标记者，可用挂签法标记。零件卸下清洗时可使用煤油和锯末，洗净后的零件用压缩空气吹净。清洗过得零件必须进行外观检查与主要尺寸的测量。对筒体机上盖的密封口要进行仔细的检查以保证其良好的密封性。检查进出口的方位是否符合工艺配管图。对易于生绣的零件应涂上一层干净的机油；4.顶部法兰的大螺栓非特殊需要可不拆卸；5.将大法兰竖起来以枕木垫稳；6.安装密封垫，安装位置必须准确，不得偏移或有中心位移；7.将顶盖安装上去，安装时不得撞坏螺栓、密封垫、吊装应仔细进行；8.在螺栓、螺母及垫圈之间基础面上涂机油或石墨粉润滑剂以减少螺纹及垫圈处的摩擦力；9.拧紧主螺栓，目前设计和适用的方法有四种：人力扳紧，大锤敲击，用卷扬机拧紧，用液压拉伸器，用电热预紧螺栓；10.务使大盖不因自重而发生位移,用人力拧紧在十字线上的四个螺栓时其扳紧程度扳紧螺栓用吊车或卷扬机通过特殊的扳手和测力计分三次：第一次采用对称发，其扳紧程度达70，第二次采用间隔法，其扳紧程度达90，第三次采用顺次法，其扳紧程度达100；11.检查法兰与顶盖的间隙及平衡度；扳紧后的螺栓应分别用小锤逐个敲击螺母，用听声法来校验螺栓扳紧的均匀程度，同时也可以防止螺母漏扳；12.安装盲板、排气阀、进气阀及压力表：压力表刻度为实验压力的1.52.0倍，压力表的精度为2.5级，压力表使用前必须进行校对，并具有铅封及合格证且在其有效期内。实验时应同时安装两个压力表，表的位置应直立，试验时压力表的指示压力差应小于2.5，否则应更换新的压力表；做好上述准备工作后即可装水试压，试验压力为工作压力的1.3倍；试验时压力缓慢上升，达到规定压力后保压时间一般不少于30分钟，然后将压力降至规定试验压力的80并保持足够长的时间以对所有焊缝和连接部位进行检查，如不合格返修活热处理，合格后填写试压记录；13.试压合格后应缓慢排水直至干净并用惰性气体吹干防止锈蚀；14.踏的吊装应有专门的施工方案及技术措施，吊装后塔的方位应符合配管图的要求；15.塔体的中心线应与设计的中心线的误差不超过10mm，塔体垂直度误差不大于11000；16.安装合格的塔体应进行定位，不得再有松动和位移；合成塔的三通管及温度计套管应另行水压试验，试验压力和方法同前。4.1.3 内件的安装触媒及换热器的安装简单如下：1.清理检查内部件（可与外筒施工平行作业，以缩短工期），测量温度计外套长度及内径、中心管的长度、密封口的尺寸；2.清理，检查后对触媒筐及换热器进行单体试验（水压试验）以保证投产后气体不至因设备泄漏而造成短路，水压试验按图纸要求及标准的规定进行；3.气密性试验时不必拆除保温层，只有在压力显著泄漏而又找不到泄漏及保温层处漏气时才应拆除；4.实验合格后应写试验记录；5.试压前应以0.5MPa压缩空气或氮气吹洗，干净后各用干净布遮盖住以免灰尘杂物落入；6.为了便于在安装前进行消除内件的制造误差，对触媒筐、换热器应进行预组装，并检查内件总垂直度，应小于2毫米，测量方法为：在触媒筐上盖处吊下四根垂线（相隔90）进行检查；7.分段吊装时将换热器用吊车吊起放入外筒内，用特制支架卡在外筒上法兰处；8.将组对在一起的触媒筐分气盒用特制工具吊起，并按标记连接换热器盒分气盒的中心短管，然后下降触媒筐、换热器到设计图纸位置；9.校正内外筒间温度计管的方位及其同心度，误差应小于2毫米；10.测量温度管的膨胀量及内筒盒上盖间距是否符合要求。4.2 氨合成塔的维护1.严格控制各项工艺指标和执行有关规章制度，防止超温、超压运行。2.氨合成塔升降压、升降温应严格按规定进行，不得波动太大。3.提高或降低塔负荷、调节触媒层温度、开关塔副线、循环机副线等操作。4.开关阀门应注意气体倒流并缓慢进行。5.用电加热器时必须先开始循环机送气，防止电炉丝过热。6.合成塔停车时必须保证塔内正压，防止空气流入烧毁触媒。7.有双道阀门的管线一般应一阀常开，一阀操作，并定期检查开关是否灵活。8.定期检查阀门、丝杠、管道、清除泡、滴、漏和震动。9.设备运转期间不得调整安全阀，并每隔三个月校验一次压力表；标上刻度必须是指针在工作压力下位于最大刻度的三分之一至三分之二处，如指针摆动厉害，只许使用道最大刻度的三分之一。10.在压力表的刻度盘上须画一条红线表示容器内最高允许压力，但红线不得画在压力表的玻璃上。11.压力表安装的位置应使操作人员看的清楚，刻度盘面与操做人员的视线垂直或向前倾斜30o。4.3 氨合成塔的检查4.3.1 定期检查1定期间隔检查氨合成塔的定期检查结合年度大、中修理进行，通常每年进行一次外部检查，每三年进行一次内部见查。2检查内容(1) 外部检查：在停车时进行，也可在设备运转时进行，有外保温时，保温层可不拆除。外部检查着重于一般情况：检查外表面、防腐层是否完好，对塔壁表面的锈蚀情况（深度、位置）要绘制简图加以记载；检查设备的基础。(2) 内部检查：在停车时，检查应拆除保温层