过程设备设计课程设计(填料吸收塔)

第一章 塔内件的选型21.2 液体分布器的选型31.3 液体再分布器 - 升气管式液体再分布器51.4 填料支承装置 - 驼峰支撑61.6气体和液体的进出口装置设计1.6.1 气体和液体的进出口直径的计算1.7 接管法兰尺寸1.8塔体人孔设置及选型1.9裙座的选择1.11 开孔补强1.11.1接管补强1.11.2人孔补强第二章 填料塔的机械设计2.1 填料塔机械设计简介2.2塔机械性能设计基本参数2.2.1 塔设计地区状况2.2.2 塔的设计参数2.2.3 塔的危险截面的确定2.3按设计压力计算塔体和封头的壁厚2.4设备质量载荷的计算2.4.1 塔壳体和裙座质量2.4.2 塔内填料的质量2.4.3 平台扶梯的质量2.3.4 操作时物料的质量2.4.4 塔附件的质量2.4.5 塔设备各种质量2.5风载荷与风弯矩的计算2.4.1 塔设备的分段2.4.2 各段的风载荷2.5.3 危险截面风弯矩2.6 危险截面的地震载荷2.7各项载荷引起的轴向应力2.7.1设计压力引起的轴向拉应力2.7.2操作质量引起的轴向压应力2.7.3最大弯矩引起的轴向应力2.8塔体和裙座强度与稳定性校核2.9吊装时应力校核2.10基础环设计2.11基础环的厚度计算2.12 地脚螺栓选取第四章 塔内件的选型4.1 除雾沫装置的选择 - 全径型丝网除沫器 图4-1: 径型丝网除沫器1.标准 HG/T 216182.型号 HG/T 21618 丝网除沫器X1600-150 SP 321/3213.技术要求：1.网块采用气液过滤网平铺成型，平铺时应交叉叠放，一般交叉角为120。 2.网块拼装后的直径必须大于筒体直径，其增大值e为：DN3001000mm e=10mmDN1100mm2000mm e=20mm DN2200mm e=内径数值的1% 3.安装时，网块与筒体内壁，网块与网块要相互紧贴，不允许存有缝隙。 穿过填料层的气体有时会夹带液体和雾滴，因此需在塔顶气体排出口前设置除沫器，以尽量除去气体中被夹带的液体雾沫，SO2溶于水中易于产生泡沫为了防止泡沫随出气管排出，影响吸收效率，采用除沫装置，根据除沫装置类型的使用范围，该填料塔选取全径丝网除沫器。 丝网除雾沫器设计：一般取丝网厚度H=100150 mm，气体通过除沫器的压降约为120250pa。 通过丝网除沫器的最大速实际气速为最大气速的0.750.8倍 所以实际气速u=0.752.34=1.755 m/s4.2 液体分布器的选型 图4-2 槽式液体分布器（1） 由于液量较大，气体量相对较少，液相负荷相对较大，气相负荷相对较低，故选用槽式液体分布器。（2）液体分布器的安装一般高于填料层表面150300 mm (取决于操作弹性)，槽式分布器主槽分槽高度均取210mm，主槽宽度为塔径的0.70.8，这里取塔径的0.7，分槽宽度由液体量及停留时间确定，最低液位为50mm为宜，最高液位由操作弹性塔内允许高度及造价确定，一般为200 mm 左右。（3）分布点密度计算按Eckert建议值，D=1600mm时，喷淋点密度为120点/m2 ,所以，塔径为1600 mm时n=0.7851.62120242点（4）布液计算重力型液体分布器布液能力计算由 （1）式中 Ls液体流量，m3/s； n开孔数目(分布点数目)； 孔流系数，通常取0.550.60； d0孔径，m ； H开孔上方的液位高度，m。 取=0.60， =160mm,设计取表4-1 槽式液体分布器的设计参考数据塔径(mm)喷淋槽分配槽液体负荷范围（m/h）外径（mm）数量中心距（mm）数量中心距（mm）双槽式15001700D-2043002600422604.3 液体再分布器 - 升气管式液体再分布器图4-3 升气管式液体再分布器在离填料顶面一定距离处，喷淋的液体便开始向塔壁偏流，然后沿塔壁下流，塔中心处填料的不到好的润湿，形成所谓的“干锥体”的不正常现象，减少了气液两相的有效接触面积。因此每隔一定的距离设置液体再分布装置，以克服此现象。表4-2 升气溢流管尺寸 由于塔径为1600mm，因此可选用升气管式再分布器，分布外径1580mm，升气管数12。盘板厚度S，碳钢S=4mm;不锈钢;S=3mm。盘板直径比塔径小20mm。单块盘板宽度LL1，小于等于400mm。升气管直径d和根数。根据气体流量和允许的孔内气体流速计算确定。升气管直径d100150mm，盘上升气管总自由截面积为塔横截面积的15%45%.升气管高度h。标准高度h=150mm，一般根据工艺要求确定。筛孔直径d1。d1由下式计算确定：d1=0.23（Q/KH） （4-2）一般H=1/21 inK=0.707筛孔直径d一般为710mm。但不得小于6mm，以防止筛孔被堵塞。分布器上的筛孔数量，一般约为110个/m 4.4 填料支承装置 - 驼峰支撑标准:HG-T 21512-1995图4-4：驼峰支撑填料支承结构用于支承塔内填料及其所持有的气体和液体的重量之装置。对填料的基本要求是：有足够的强度以支承填料的重量;提供足够的自由截面以使气液两相流体顺利通过，防止在此产生液泛；有利于液体的再分布；耐腐蚀，易制造，易装卸等。常用填料支承板有栅板式和气体喷射式。这里选用分块梁式支承板。表4-3 支撑板波纹尺寸表4-4 DN13002500支撑板结构示意图塔径（DN）支撑板外径支撑板分块数支撑圈宽度支撑圈厚度连接卡子代号1600156055010JB 1119-81卡子 K14B图4-5 卡子结构图表4-5 卡子标记、材质、相配零件结构及尺寸（HG/T 21512.100-95）4.5填料压紧装置 - 床层限位器标准：HG/T 21512-95图4-6 网纹孔板限制器（分块式）为保持操作中填料床层为一高度恒定的固定床，从而保持均匀一致的空隙结构。使操作正常，稳定，在填料安装后在其上方要安装填料压紧装置。这样可以防止在高压降，瞬时负荷波动等情况下填料床层发生松动和跳动。填料压紧装置分为填料压板和床层限制板两大类，每类又有不同的形式。填料床层压板适用于所有材质的填料。对于脆性易碎材质（如陶瓷，石墨等）的填料必须采用填料床层压板限位。填料床层限位器适用于除脆性易碎材质填料以外的填料（如金属、塑料填料）。本次设计的填料是塑料阶梯环，所以选择床层限位器。由于塔径为1600mm800mm,选用分块式网纹孔板限制器。栅格、栅条间的间距t200mm;栅条、边圈厚度S610mm；分块宽度L400mm；网纹孔板限制器的结构和支撑紧固方式见图图4-7 网纹孔板限制器支撑紧固图卡子标准同驼峰支撑连接标准4.6气体和液体的进出口装置设计4.6.1 气体和液体的进出口直径的计算 管口名称接管尺寸材料伸出长度液体进料口21980Cr18Ni10Ti100液体出料口13380Cr18Ni10Ti80气体进料口37780Cr18Ni10Ti100气体出料口32580Cr18Ni10Ti1004.7 接管法兰尺寸由于常压操作,所有法兰均采用标准管法兰,平焊法兰,由不同的公称直径选用相应的法兰。1）液体进料管法兰：HG20592法兰PL200-RFQ235A2）液体出料管法兰：HG20592法兰PL350-RFQ235A3）气体进料管法兰：HG20592法兰PL125-RFQ235A4）气体出料管法兰：HG20592法兰PL300-RFQ235A图4-8 板式平焊钢制管法兰表4-7 板式平焊钢制管法兰尺寸 (mm)公称直径A1DKLThN(个)B112513324020018M16812013520021932028018M16813022230032544540522M181214532835037749044522M2012155381说明：A1:钢管外径； D：法兰外径； K：螺栓孔中心圆直径； L：螺栓孔直径； n:螺栓孔数量； Th:螺栓； :连接螺栓长度4.8塔体人孔设置及选型为方便安装填料塔、对填料塔的检修和更换填料。本次设置3个人孔。具体位置按装配图进行安装。选用标准：HG/T 21515-2005材料：0Cr18Ni10Ti 密封材料：石棉橡胶板垫片 图4-9 人孔的结构表4-8 人孔的尺寸表 mm密封形式公称直径DBbb1b2H1H2螺栓数量螺栓尺寸总质量（kg）FR450480x65705352501410121609020M16x5044.44.9裙座的选择 塔体常采用裙座支撑。此处选用圆筒形裙座。为防止风载荷或地震引起的弯矩造成塔翻到，则需要配制较多的地角螺栓及具有足够大承载面积的基础环。裙座与塔底焊接于封头见的焊接接头可分为对接及塔接。此处采用对接接头，裙座筒体外与塔体下封头外径相等，焊缝必须采用全焊透的连续焊。一般情况下常选圆筒形裙座，对DN25,DN1000mm,H/DN30这类细高形塔选圆锥形裙座。裙座不直接与塔内介质接触，也不承受塔内介质的压力，因此不受压力容器用材的限制。可选用0Cr18Ni10Ti。裙座设计参考了文献7的设计介绍裙座各部分的具体尺寸见零件图第六章运用了ANSYS有限元分析软件对裙座受力的强度进行了校核。结果证明裙座强度复合要求。图4-10 裙座与筒体封头连接表4-9 裙座人孔设置数4.10塔附属高度的确定 塔的附属空间高度是指塔的上部空间高度（除沫器需要的高度），塔的中部空间（安装液体再分布器所需空间高度），塔的底部空间高度（塔底最下一块塔板到塔底封头之间的垂直距离）。塔的上部空间应有一足够的空间高度，以便气体中携带的液滴能够在通过除沫装置时完全分离，该高度一般取1.2m-1.5m。塔的中部高度一般需要1m-1.5m，根据所选液体分布器的类型而定。塔的底部空间高度含釜液所占的高度及釜液面上方的气液分离高度的两部分。釜液所占空间高度的确定是依据塔的釜液流量以及釜液在塔内的停留时间确定出空间容积，然后根据该容积和塔径计算出塔釜所占的空间高度。塔底液相停留时间按2min考虑，则塔釜液所占空间为考虑到气相接管所占的空间高度，底部空间高度可取1.9米，所以塔的附属空间高度可以取4.2米。4.11 开孔补强4.11.1接管补强由于塔的管径大于89 mm(文献17表4-14有详细说明)，所以需要补强，采用等面积补强方法。封头的厚度为8 mm。以公称直径为300mm接管进行开孔补强（1）开孔的补强面积 先计算强度削弱系数，接管的有效厚度8-2=6 mm，开孔补强面积为 (4-5) （2）有效补强面积求取1)封头的多余金属面积A1 (4-6) 2)接管的多余面积 A2 (4-7) =0,焊角取6.0 3)A3接管区的焊缝面积A3焊角取6mm 4）有效补强面积 则5）所需另行补强面积（3）补强圈厚度设计参照JB/T3736取外径550内径328补强圈厚度 （4-8） 为了便于制造时准备材料，补强圈厚度取4.表4-10 接管补强圈设计尺寸一览表 mm接管名称接管尺寸补强圈外径补强圈内径补强圈厚度材料液体进料口219844022640Cr18Ni10Ti液体出料口133825014040Cr18Ni10Ti气体进料口377862038250Cr18Ni10Ti气体出料口325855033040Cr18Ni10Ti4.11.2人孔补强筒体上的人孔均为DN450型，即为。（1）补强及补强方法判别 a.补强判别 根据文献8表4-14，允许不另行补强的最大接管为89mm。本开孔外径为480mm,故需另行补强。 b.补强计算方法判别开孔直径 （4-9） 本圆筒上开孔直径为d=465.6mmD2,补强圈在有效补强范围内。采用C型，则补强圈厚度为 （4-10） 考虑到钢板负偏差，补强圈名义厚度取为5mm。表4-11 人孔补强圈的尺寸 mm名称尺寸补强圈外径补强圈内径补强圈厚度材料人孔480676049050Cr18Ni10Ti第五章 填料塔的机械设计5.1 填料塔机械设计简介 塔设备大多数是安装在室外的，靠地脚螺栓固定在混凝土上，通常通过裙座支撑。塔除受内压外还承受着各种重量载荷：如平台，塔体，扶梯，介质，保温层，悬挂物，塔盘等内外附件的重量，管道推力，地震载荷，风载荷，偏心载荷等多种载荷的联合作用。由此可见单纯根据设计压力确定的塔体壁厚，不足以保证设备的安全运行，还要按各种工况，对各种载荷的作用进行验算，以确保塔设备的强度和稳定性。 塔体承受压力，弯矩和轴向载荷的联合作用。内压使塔体一侧产生轴向拉应力，外压则引起轴向压应力。此次设计压力是常压，因此弯内压不产生轴向压力；矩使塔体的一侧产生轴向压应力，重量使塔体产生轴向压应力。由于压力，弯矩，重量随塔设备所处状态而变化，组合轴向力也随之而变化。因此必须计算塔设备在各种状态下的轴向组合应力，并确保组合的轴向拉应力满足强度条件，组合的轴向压应力满足塔体的稳定条件。 按理论应计算塔设备处于安装，正常操作，停工和水压试验四种状态下的组合轴向应力。由于安装时的轴向载荷比正常操作时小，因安装时的设备自重常不包括附件和保温材料重量，风弯矩也小于正常操作状态，因此，只需计算正常操作，停工和水压试验等三种状态下的组合轴向力。塔设备的强度设计和稳定型校核通常包括下列内容：（1） 按设计压力确定塔体壁厚。（2） 根据塔设备的设置地区，并按照安装正常操作，停工，水压试验等各种工况状态，计算塔体在多种载荷联合作用下的组合轴向力。通过调整塔体壁厚，使组合轴向力满足强度和稳定条件。（3） 按上诉工况下的载荷，计算基础环，地脚螺栓座和地脚螺栓。5.2塔机械性能设计基本参数5.2.1 塔设计地区状况 查表得江苏地区地面粗糙程度为B类，基本风压值地震防裂度为7度；场地的土地类型为。5.2.2 塔的设计参数（1）塔体的内径D=1600mm ，塔高H=14000mm（包括裙座）。（2）计算内压: (3)设计温度25（4）塔体与封头的材料选用0Cr18Ni10Ti（耐酸钢板） , , Et=2.06e5 ， 密度（5）裙座的材料选用0Cr18Ni10Ti（耐酸钢板） , , Et=2.06e5 ， 密度（6）塔体与封头的附加余量取C=2mm 裙座壁厚的附加量C=3mm。（7）塔主题每段填料开设一个人孔.人孔数为3个，在人孔处安装半圆形平台3 个，平台宽度B=900mm，高度为1000mm。5.2.3 塔的危险截面的确定 塔的危险截面一共有三个，一个是塔与地面基础的连接处，二是裙座的人孔中心处，最后一个是裙座与塔体的焊接处。5.3按设计压力计算塔体和封头的壁厚 （5-2） S=0.8+2=2.8 mm ，3为附加厚度 ， 由于塔的高度较高，塔体壁厚暂取8 mm。（后面还需校核） 封头壁厚的计算：采用椭圆形封头 （5-3） 考虑壁厚的附加量C=2 mm GB150中规定标准椭圆形封头不能低于0.15%的Di最后封头的厚度取到和塔体壁厚一致 封头的厚度为8mm。 5.4设备质量载荷的计算图5-1 塔受质量载荷力简图5.4.1 塔壳体和裙座质量塔体圆筒的总高为11.36m ，壁厚为8mm， 直径为1600mm。查设计简明手册13.1得：圆筒每米长的质量为317，单个椭圆形封头的质量是185，裙座每米的高度的质量是596kg。 则计算质量为： 圆筒的质量 封头的质量裙座的质量则塔壳体和裙座质量5.4.2 塔内填料的质量 塔内填料的质量：查化工原理 塑料阶梯环填料的密度是61.6kg/m3，填料的质量为 5.4.3 平台扶梯的质量 说明由表16.1查平台的质量 ,笼式扶梯的质量 ,笼梯的高度为25米 共有4个平台.表5-1 平台质量表名称笼式扶梯开式扶梯钢制平台圆泡罩塔盘条形泡罩塔盘单位质量40kg/m15-24kg/m150kg/m150kg/m150kg/m名称活舌塔盘筛板塔盘浮阀塔盘塔盘充液量单位质量75kg/m65kg/m75kg/m70kg/m5.3.4 操作时物料的质量 塔中的持液量 塔底的持液量为 封头中的液体为 (是封头容积) 则塔的总持液量为 5.4.4 塔附件的质量塔附件的质量可按下式估算5.4.5 塔设备各种质量全塔设备净重（kg）全塔操作质量（kg）5.5风载荷与风弯矩的计算 图5-2 塔受风载荷作用力的简图5.4.1 塔设备的分段第一段从塔底到人孔800mm的压力为，第二段人孔中心到裙座与塔体焊接处800mm到2000mm压力为，第三段2000mm到4400mm的压力为，第四段4400mm到9000mm的压力为，第五段9000mm到14000的压力为。 图5-3 塔分段后受风压示意图 风力的计算的公式如下： 其中：1.体型系数，对于圆筒形容器，； 2.风压隔断的风震系数，当塔高H20m时，取 3. 为10米高处的基本风压， 4.f为风压高度变化系数， 查表得： 0到5米，5米到10米，10米到15米； 根据分段则， 5.为脉动影响系数，表5-2 地形脉动影响系数 高度 1020406080100地面粗糙度类别A0.780.0830.870.890.890.89B0.720.790.850.880.890.9C0.660.740.820.860.880.89 6.为塔的基本自振周期，对于等直径，等壁厚的圆截面塔 （5-14） 塔的有效直径： （5-17） 其中K=400（笼式扶梯），K=2A/L，全塔均取最大的值 （5-18）为了安全，全塔的有效直径都取最大值2273mm。5.4.2 各段的风载荷（1）风载荷计算示例0-0段为例计算风载荷： =（2）表5-3 各段塔风载荷计算结果计算段压力800692.412001038.724002077.34600497750006167.15.5.3 危险截面风弯矩塔的危险截面为，裙座基底0-0截面；裙座人孔处1-1截面；裙座与塔体焊缝处2-2截面表5-4 风弯矩计算截面0-0：截面1-1：截面2-2： 5.6 危险截面的地震载荷 图5-4地震载荷作用图塔的总高度H=14000 mm , 全塔的操作质量；结构综合系数；地震影响系数: （5-19） 查表 T=0.4（三类场地）查表 得 （设地震强度为7度） 表5-5 地震弯矩计算 截面0-0 截面1-1 截面2-2 5.7各项载荷引起的轴向应力5.7.1设计压力引起的轴向拉应力 因为是常压塔，因此内压没有产生轴向拉应力。则5.7.2操作质量引起的轴向压应力 0-0截面 1-1截面 为人孔截面的截面积，查表16-10得 2-2截面 5.7.3最大弯矩引起的轴向应力 0-0截面其中， 1-1截面 其中 为人孔截面的抗弯截面系数，查相关标准得：。 2-2截面 其中 5.8塔体和裙座强度与稳定性校核 0-0截面 （5-20） 满足强度要求。1-1截面 由A值查图16-5的Q235A的B=107.5 Mpa （5-21） 所以满足强度要求。2-2截面 （5-22） 所以满足要求 表5-6：各危险截面强度与稳定校核汇总项目计算危险截面0-01-12-2塔体与裙座有效厚度886截面以上的操作质量28937.228460.427845.3计算截面面积计算机面的抗弯截面系数最大弯矩最大允许轴向压应力 129129138135.6135.6204计算引起的轴向拉应力000计算引起的最大轴向压应力363542.15.9吊装时应力校核图5-5 吊装时应力图按照手册图16.11所示的最不利的吊装条件进行校核 （5-23） H:容器的总高度； h: 裙座的高度； :容器的最小质量； :容器的名义厚度； :重力加速度； 经校核合格。5.10基础环设计取外径 内径 图5.6 基础环尺寸表5-7 地脚螺栓尺寸 基础环的应力校核： （5-24） （5-25） 取以上两者中的最大值 选用75号混凝土 （查1611）（化工简明设计手册） 满足要求。5.11基础环的厚度计算 查压力容器用刚的附表得 C=2 mm （5-26） 当b/c=138/160=0.86 查表16-12 （5-27） （5-28） 最后取 （5-29） 圆整到20mm 所以基础环厚度取20mm。5.12 地脚螺栓选取 （5-30） 或者 （5-31） ; ; 取 个 螺栓的直径： （5-32） =3 mm 查表16.13的的螺栓直径为20 mm，所以选用16个的地脚螺栓，满足强度要求。参考文献1 大连理工大学等化工容器与设计手册北京：化学工业出版社，1989*2 匡国柱，史启才等化工单元过程及设备课程设计北京：化学工业出社，20023 陈敏恒等化工原理北京：化学工业出版社，20044 魏姚灿等塔设备设计上海：上海科学技术出版社，19885 化工设备设计全书编辑委员会 编. 塔设计. 北京：化学工业出版社，20046 夏清 陈常贵 主编. 化工原理.下册.天津：天津大学出版社，2005.17 贺匡国.，化工容器及设备简明设计手册M.化学工业出版社，2002.8 卢焕章 主编. 石油化工基础数据手册. 北京：化学工业出版社，19829 路秀林 王者相 编. 化工设备设计全书-塔设备. 北京：化学工业出版社，2004.1.110 化工设备设计全书.塔设备. 北京：化学工业出版社，200311 郑晓梅主编.化工制图.北京：化学工业出版社，200212 潘红良主编.过程设备机械设计.上海：华东理工大学出版社，200613 郑津洋,董其伍,桑芝富.过程设备设计.第二版.化学工业出版社.2005.514 潘红良，郝俊文.过程设备机械设计. 上海：华东理工大学出版社，2006.15 陈志平，曹志锡.过程设备设计与选型基础. 杭州：浙江大学出版设，2005.16 GB150-89钢制压力容器. JB4710-2005钢制塔式容器.