铜氨液、再生气回流塔的设计毕业设计说明书.docx

上海应用技术学院机械工程学院毕业设计（论文）题目 铜氨液、再生气回流塔的设计 学生姓名 徐骏专 业 过程装备与控制工程 学 号 0910221130 班 级 09102211 指导教师 朱柳娟 职 称 讲师 2013 年 6 月铜氨液、再生气回流塔的设计摘要：此次设计回流塔的介质为铜氨液、再生气，塔的设计温度为100，设计压力为0.18mpa，塔径1400mm，塔高11.25m，填料塔，填料段：1。塔设备是生产过程中一种重要的单元操作设备，它广泛应用于化工、炼油、医药、食品及环境保护等工业部门。本铜氨液、再生气回流塔的作用是利用铜氨液对再生气中所含的少量一氧化碳和二氧化碳进行脱洗。首先考虑到工艺条件等因素，塔体的材料选用了q345r。其次对塔进行了强度和稳定性校核，计算了质量载荷，塔的自振周期、地震载荷与地震弯矩、风载荷与风弯矩。进行了圆筒轴向应力校核和裙座轴向应力校核。通过计算得出强度和稳定性都符合要求。然后通过比较不同的元件，分别对吊柱、吊耳、填料、设备接管、法兰、平台及扶梯进行了设计选择。最后利用fluent软件对该回流塔进行上段液体流动分析，检验回流塔上段液体流动是否满足均匀分布要求。关键词：填料塔；铜氨液；再生气；压力容器；fluentdesign of cuprammonia and resurgent gases reflux columnabstract：the media of this design of cuprammonia and resurgent gases column is cuprammonia and resurgent gases, and its design temperature is 100, design pressure is 0.18mpa.the diameter of column is 1400mm,and height is 11.75m,which is packing layer and has 1 trays. column is an important process equipment, which is widely used in petrochemical, pharmacy, food, environment protection and so on. the cuprammonia and resurgent gases column is to use cuprammonia wash off a small amount of carbon monoxide and carbon dioxide contained in the regeneration gas. based on process conditions,q345r was chosen as column material. stiffening was made at open pore region and stiffening rings was chosen. the strength and the stability of the column were checked including calculating mass loads, self-vibrations cycles, earthquake loads, earthquake moments, wind loads, wind moments. the axial stresses in cylindrical shell and skirt support were checked. the strength and the stability of the column were eligible. and by comparing different components, davits, sag, trays, tubes, flanges, flats and ladders were designed and chosen. finally,fluent6.3.26 which is used to analysis has been used for check the liquid.keywords：packed tower; cuprammonia; resurgent gass; prseesur; fluent目录1 绪论填料塔主要由塔体、填料、塔体支座、除沫器、接管、人孔和手孔、吊耳和吊柱以及其他附件组成。塔体是塔设备的外壳，是由三段等直径、等壁厚的圆筒和作为头盖和底盖的椭圆形封头及连接三段筒体的法兰组成；填料是进行传质的主要部件；塔体支座是塔体安放到基础上的连接部分，他必须保证塔体坐落在确定的位置上进行正常的工作；除沫器用于捕集夹带在气流中的液滴；塔设备中的接管是用以连接工艺管路，把塔设备与相关设备连成系统；人孔和手孔一般都是为了安装检修和检查的需要而设置的；吊耳和吊柱分别是为了运输安装，及塔内件的运送。再生气从塔下部适当位置进塔，铜氨液从塔上部适当位置进塔，气、液在中段填料层进行气液传质，反应后的气体从塔顶封头流出，反应后的铜液从塔底封头流出进入回流系统。1.1 概述塔设备的设计包括塔的工艺设计和塔的机械设计两部分。塔的工艺设计一般有化工工艺工程师进行，塔的机械设计由设备工程师进行。设备工程师是在工艺工程师的工艺设计基础上进行塔的机械设计。其中塔的机械设计是本课题的主要方向。塔设备的机械设计包括塔的结构设计和塔的强度及稳定性计算。根据塔器设计的原理和方法，结合课题所给予的设计条件和实际情况，依据gb150-2010 钢制压力容器与jt4710-2005 钢制塔式容器等标准，确定铜氨液、再生气回流塔设计的机械设计，将主要从两个方面进行。1.2 塔设备的结构设计塔设备的结构设计包括塔体及附件的结构设计和塔内件的结构设计。（1） 塔设备的主要结构尺寸的确定由于填料塔比板式塔压降小、真空度高，所以本设计采用填料塔作为回流塔的结构。填料层的压降既与气流流动状况有关，又与填料特性有关，情况比较复杂，有关手册载有各种尺寸填料实测的压力降曲线，可供计算时应用。（2） 附属结构及设备填料支撑结构：填料支撑结构应满足三个基本条件：使气液能顺利通过。要有足够的强度承受填料重量，并考虑填料孔隙中的持液重量，以及可能加于系统的压力波动、机械波动、温度波动等因素。要有一定耐腐蚀性能。 裙座：裙座的选材应考虑到载荷、塔的操作条件，以及塔釜封头的材料等因素，对于在室外操作的塔，还得考虑环境温度。裙座一般选用圆筒形。细高塔形的应选用圆锥形裙座，同时考虑塔体与裙座的焊接形式。 液体再分配装置液体沿填料层下流时，往往有逐渐靠塔壁方向集中的趋势。使总的传质效率大为降低。因此每隔一定距离必须设置液体再分配装置，以克服此现象。除沫器：除沫器的作用是减少液体的夹带损失，确保气体的纯度，保证后续设备的正常操作。除沫器的常用形式有：丝网除沫器，拆流板式除沫器以及旋流板除沫器。形式的选用一般是根据所分离液滴的直径、要求的捕沫效率及给定的压力降来确定。综述，塔器根据工作压力、工作温度以及介质特性，选择塔器主体、封头等的材料，材料选择力求经济合理又能满足性能要求。而后再进行初始的结构设计。具体内容包括塔器的主体结构的形式确定，封头的类型，塔体外部人孔手孔等的开孔情况，包括开孔大小、数目、位置等，外部吊装装置的选择以及具体工艺接管的安排等。1.3 塔设备的强度和稳定性设计塔设备除必须按规范进行强度和稳定性计算外，还应根据具体情况进行一些在特殊工况下的强度计算，如局部应力计算等，以及一些有强度要求的零部件的计算。塔的强度计算一般应有下列内容： 在设计压力下的筒体和封头的厚度计算； 在风载荷、地震载荷及其他载荷作用下的强度和稳定性计算； 地脚螺栓、基础板、地脚螺栓座的筋板和盖板的计算； 各接管开孔补强计算； 塔的吊耳计算； 塔的吊装计算； 局部应力计算； 特殊零件计算； 塔设备的振动计算与防震；将根据铜氨液、再生气回流塔设计的具体设计条件和结构，确定实际需要计算的内容。2 材料选择和结构设计2.1筒体、封头、裙座材料的确定已知塔径1400mm；工作压力：0.1kg/cm2；工作温度：2060；介质：铜液量：4254m3/h；再生气量：8401400mm3/h。设置于上海地区，基本风压为550n/m2。介质特性、操作特性、材料焊接性能知满足要求的材料有q245r、q345r、q370r等，结合容器的制造工艺以及经济上的合理性，考虑到介质铜氨液为轻微腐蚀溶液，故筒体、封头、裙座均采用q345r。2.2 塔全高的确定1、塔顶空间高度应该有足够的高度以使气流携带的液滴能够从气相中分离出来，减少塔顶出口气体中液体的夹带，这段高度一般取1.21.5m，在这里h1取1.5m。2、填料选取金属矩鞍环，矩鞍环填料的尺寸与塔径之比ddi115，由塔径1400，得d93.3mm，查表12-3-19，选取公称直径为50mm的金属矩鞍环。填料层较高时，应在塔内分几段设置，每段填料的高度z0与塔径di之间的关系，对于中小型塔而言，z0di为58米；对于大直径塔，z0不宜超过6米，故取填料高度为3.5米。3、塔底空间高度应该留有空间以满足安装进气管的要求，进气管的位置应该在填料层以下约一个塔径的距离，且高于塔底液面300mm以上，由于此次设计的填料塔气体流量较小，故忽略液封高度，则塔底空间高度可取h2=1700mm+300mm=2000mm。综上所述，故塔全高为h塔=1.5m+3.5m+2m=7m。2.3 内压圆筒设计与计算圆筒形压力容器结构形式，具有结构简单、易于制造、便于在塔体内部装设附件等优点。主要分为单层式和组合式，组合式又可分为多层包扎式、热套式、绕板式等。目前，多层包扎式圆筒是世界上应用最广泛、制造和使用经验最为丰富的组合式圆筒结构。在设计时为了避免裂纹沿厚度方向扩展，各层板间的纵向焊缝应相互错开75角。多层包扎式圆筒制造工艺相对简单，不需要大型复杂的加工设备；与单层式圆筒相比安全可靠性高，层板间隙具有阻止缺陷和裂纹向厚度方向扩展的能力，减少了脆性破坏的可能，且包扎预应力可有效改善圆筒的应力分布；对介质的适应性强，可依据介质的特性选择合适的材料。但多层包扎式圆筒制造工序多、周期长、效率低、钢板材料利用率低，尤其是筒节间对接的环焊缝对容器的制造质量和安全有显著影响。根据工艺要求和考虑经济性因素，本次的铜氨液、再生气回流塔的圆筒形式采用单层式。已知塔径1400mm；工作压力：0.1kg/cm2；工作温度：2060；介质：铜液量：4254m3/h；再生气量：8401400mm3/h。选定设计温度：100。进行计算：1、计算工作压力：pw=0.1kg/cm2pz =1.051.1pw=1.051.10.19.810-4=1029010780papz =0.011mpah，故h取3mm，由于钢材的厚度负偏差不大于0.25mm，且不超过名义厚度的6%，故取c1=0mm，n=h+c2=3+1=4mm。圆整得n=4mm。2.4 裙座的结构与焊接设计2.4.1 裙座的结构设计为了制作方便，裙座一般选用圆筒形。对直径小又细高的塔（即dn1m，且h/dn25或dn1m，且h/dn30），为了提高设备的稳定性及降低地脚螺栓与基础环支承面上的应力，可采用圆锥形裙座。设计圆锥形裙座时，考虑到按稳定计算的锥体厚度是与cos2成反比（即锥体的半锥顶角增大，厚度也将增加），且锥体与塔体的焊缝在弯曲与剪切作用下引起的应力突变，也将随的增大而增加，所以一般不大于10。（1） 类型dn1m，h/dn=7750/1400=5.541500mm时，开孔最大直径dopdi/3，且dop1000mm；椭圆形封头、凸形封头或球壳上开孔最大直径d12di，其孔的中心线宜垂直于封头表面。2.5.2 允许不另行补强的最大开孔直径根据gb150-2010规定，对于不另行补强的最大开孔直径要求如下：设计压力小于或等于2.5mpa；两相邻开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）应不小于两孔直径之和；对于3个或以上相邻开孔，任意两孔中心的间距（对曲面间距弧长计算）应不小于该两孔直径之和的2.5倍；接管外径小于或等于89mm；接管壁厚满足表6-1要求，表中接管壁厚的腐蚀裕量为1mm，需要加大腐蚀裕量时，应相应增加壁厚；开孔不得位于a、b类焊接街头上；钢材的标准抗拉强度下限值rm540mpa时，接管与壳体的连接宜采用全焊透的结构型式。查gb150-2010表4-3得，q345r钢管在设计温度100下的许用应力为t=189mpa。所以，都满足不另行补强要求，所以不进行补强计算。用途公称尺寸dn,mmd1,mm壁厚,mm材料液体出口a2002196q345r再生气进口b3003257.5气体出口c2502736.5接管法兰d2002196铜液进口e2002196人孔f1,245048092.5.3 液体进口补强a开孔位于筒体上部，筒体的计算厚度=0.78mm，n=4mmb开孔补强面积a计算强度消弱系数：fr=ntr=115189=0.61接管有效厚度：et=nst-c=6-1=5mm开孔直径：d=di+2c=219+21=221mm开孔补强面积a：a=d+2et1-fr=2210.78+20.7861-0.61=176.03mmc有效补强范围有效补强宽度：bmax=2d=2221=442mmd+2n+2nt=221+24+26=241mm取其中较大值，故b=442mm有效高度：h1min=dnt=2216=36.41mm200mm取其中较小值，故h1=36.41mm。h2min=dnt=2216=36.41mm347mm取其中较小值，故h2=36.41mm。有效补强面积封头有效厚度e=n-c=4-1=3mm封头多余金属面积a1：a1=b-de-2ete-1-fr=442-2213-0.78-263-0.781-0.61=480.23mm2接管多余金属面积a2接管计算厚度t=pcdi2nt-pc=0.1821921150.85-0.18=0.20mma2=2h1et-tfr+2h2(et-c2)fr=236.415-0.200.61+236.415-10.61=390.90mm2焊缝金属截面积(焊脚取6.0mm)a3a3=66122=36.00mm2有效补强面积ae=a1+a2+a3=480.23+390.90+36=907.13mm2所需另行补强面积a4=a-ae=176.03-907.13=-731.1mm2a40故无需补强同理可证，接管法兰与铜液出口也无需补强。2.5.4 再生气进口补强a开孔位于筒体下部，筒体的计算厚度=0.78mm，n=4mmb开孔补强面积a计算强度消弱系数：fr=ntr=115189=0.61接管有效厚度：et=nst-c=7.5-1=6.5mm开孔直径：d=di+2c=300+21=302mm开孔补强面积a：a=d+2et1-fr=3020.78+20.786.51-0.61=239.51mmc有效补强范围有效补强宽度：bmax=2d=2302=604mmd+2n+2nt=302+24+27.5=325mm取其中较大值，故b=604mm有效高度：h1min=dnt=3027.5=47.59mm150mm取其中较小值，故h1=47.59mm。h2min=dnt=3027.5=47.59mm700mm取其中较小值，故h2=47.59mm。有效补强面积封头有效厚度e=n-c=4-1=3mm封头多余金属面积a1：a1=b-de-2ete-1-fr=604-3023-0.78-26.53-0.781-0.61=659.18mm2接管多余金属面积a2接管计算厚度t=pcdi2nt-pc=0.1830221150.85-0.18=0.27mma2=2h1et-tfr+2h2(et-c2)fr=247.596.5-0.270.61+247.596.5-10.61=681.04mm2焊缝金属截面积(焊脚取6.0mm)a3a3=66122=36.00mm2有效补强面积ae=a1+a2+a3=658.18+681.04+36=1375.22mm2所需另行补强面积a4=a-ae=239.51-1375.22=-1135.71mm2a40故无需补强。2.5.5 气体出口补强a开孔位于下封头顶端，筒体的计算厚度=0.84mm，n=4mmb开孔补强面积a计算强度消弱系数：fr=ntr=115189=0.61接管有效厚度：et=nst-c=6.5-1=5.5mm开孔直径：d=di+2c=250+21=252mm开孔补强面积a：a=d+2et1-fr=2520.84+20.845.51-0.61=215.28mmc有效补强范围有效补强宽度：bmax=2d=2252=504mmd+2n+2nt=252+24+26.5=273mm取其中较大值，故b=504mm有效高度：h1min=dnt=2526.5=40.47mm200mm取其中较小值，故h1=40.47mm。h2min=dnt=3027.5=40.47mm150mm取其中较小值，故h2=40.47mm。有效补强面积封头有效厚度e=n-c=4-1=3mm封头多余金属面积a1：a1=b-de-2ete-1-fr=504-2523-0.84-25.53-0.841-0.61=535.05mm2接管多余金属面积a2接管计算厚度t=pcdi2nt-pc=0.1825221150.85-0.18=0.23mma2=2h1et-tfr+2h2(et-c2)fr=247.596.5-0.230.61+247.596.5-10.61=683.36mm2焊缝金属截面积(焊脚取6.0mm)a3a3=66122=36.00mm2有效补强面积ae=a1+a2+a3=535.05+683.36+36=1254.41mm2所需另行补强面积a4=a-ae=215.28-1254.41=-1039.13mm2a40故无需补强。2.5.6 人孔1补强a开孔位于筒体下段，筒体的计算厚度=0.78mm，n=4mmb开孔补强面积a计算强度消弱系数：fr=ntr=115189=0.61接管有效厚度：et=nst-c=9-1=8mm开孔直径：d=di+2c=480+21=482mm开孔补强面积a：a=d+2et1-fr=4820.78+20.7881-0.61=380.83mmc有效补强范围有效补强宽度：bmax=2d=2482=964mmd+2n+2nt=482+24+29=508mm取其中较大值，故b=964mm有效高度：h1min=dnt=4829=65.86mm0mm取其中较小值，故h1=0mm。h2min=dnt=4829=65.86mm200mm取其中较小值，故h2=65.86mm。有效补强面积封头有效厚度e=n-c=4-1=3mm封头多余金属面积a1：a1=b-de-2ete-1-fr=964-4823-0.78-283-0.781-0.61=1056.19mm2接管多余金属面积a2接管计算厚度t=pcdi2nt-pc=0.1848221150.85-0.18=0.44mma2=2h1et-tfr+2h2(et-c2)fr=208-0.440.61+265.868-10.61=562.44mm2焊缝金属截面积(焊脚取6.0mm)a3a3=66122=36.00mm2有效补强面积ae=a1+a2+a3=1056.19+562.44+36=1654.63mm2所需另行补强面积a4=a-ae=380.83-1654.63=-1273.80mm2a40.2max0.2max=0.20.45=0.09hk的求取：k1 =h1.5i=1nmihi1.5i=1nmihi3表5.3第一振型参与系数第一振型参与系数计算表塔段号123各段操作质量mk，kg775.81644.962939.48各点距地面高度hi，mm937.52812.57500hi1.52.871041.501056.50105mihi1.52.231079.621071.91109a=i=13mihi1.52.03109hi38.241082.2210104.221011mihi36.3910111.4310131.241015b=i=13mihi31.251015a/b1.6210-6由上表得：基本振型参与系数k1k1=abhi1.5=1.6210-6hi1.5所以，任意高度hk处的集中质量mk引起的基本振型水平地震力fk1如下表所示：塔段号123基本振型参与系数k10.0460.2431.053水平地震力fk1 =cz1k1mkgfk1，n20.4689.851774.523.4.2 垂直地震力当震级大于八级时，还要计算垂直地震力。计算垂直地震力的方法主要有以下三种：1、静力法；2、反应谱法；3、利用水平地震反应谱采用等效重力载荷进行计算。方法一的计算结果往往失实，方法二则因为目前没有任何规范推荐可以用于设计的垂直地震反应谱所以不能使用，所以方法三是目前处理垂直地震载荷最好的办法。gb-150所使用的计算垂直地震力的方法也是第三种。计算过程如下塔设备底截面处的垂直地震力fv0-0按式计算：fv0-0 =vmaxmeqg式中vmax垂直地震影响系数最大值，取vmax=0.65max，meq 塔设备的当量质量，取meq=0.75m0，kg任意质量i处垂直地震力fv-：fv-=mihik=inmkhkfv0-0表为求解处置地震力表塔段号123垂直地震影响系数vmaxvmax=0.65max=0.650.45=0.2925操作质量m0，kg5646.9当量质量meq，kgmeq=0.75m0=0.755646.9=4235.18底截面处垂直地震力fv0-0，nfv0-0=vmaxmeqg=0.29254235.189.8=12140.14mihi7.271051.811062.20107i=13mihi2.45107垂直地震力fv-，nfv-=mihik=inmkhkfv0-0=mihi12140.142.45107360.24896.8810901.353.4.3 地震弯矩塔设备任意计算截面-处基本振型地震弯矩me1-按式计算：fe1-=k-infk1(hk1-h) (i=1,2n)式中，h为计算截面距地面的高度，mm。（1）裙座人孔中线截面-，h=1000mm塔体段号123hk-h(mm)-62.51812.56500fk(hk-h)-1.281031.631051.15107me1-，n.m1.17107（2）裙座与塔体连接处的焊缝截面-，h=3453.88mm塔体段号123hk-h(mm)-2516.38-641.384046.12fk(hk-h)-5.15104-5.761047.18106me1-，n.m7.07106（3）底截面0-0的基本振型地震弯矩分别按式（5.6）计算：me10-0 =1635cz1m0gh底截面0-0，h=0me10-0 =1635cz1m0gh =16350.50.1175646.99.811250 =1.66107当塔设备h/di5时，还须考虑高振型的影响，再进行稳定和其他验算时，也可按式计算：me-=1.25me0-故me-=1.25me1-=1.251.17107=1.46107n.mmme-=1.25me1-=1.257.07106=8.84106n.mmme0-0 =1.25me10-0=1.251.66107=2.08107n.mm3.5 风载荷和风弯矩计算3.5.1 水平风力由于大多数塔设备安装在室外，所以会受到风的影响，即受到风载荷的作用。风载荷除了使塔体产生应力和变形外，还可能使塔体产生顺风向的振动（纵向振动）及垂直于风向的诱导振动（横向振动）。过大的塔体应力会导致塔体的强度及稳定失效，而太大的塔体绕度则会造成塔盘上的流体分布不均，从而使分离效率下降。计算时，通常将其折算成静载荷，即在静力的基础上考虑与动力有关的折算系数，称为风振系数。过程设备设计塔设备中第i计算段所受的水平风力由下式计算：pi =k1k2iq0filidei10-6n式中pi为塔设备各计算段的水平风力；k1为空气动力系数，此次设计为圆筒截面所以取0.7；k2i为i段塔设备各计算段的风振系数，当塔高20m时，取k2i=1.70；q0为上海地区的基本风压，450n/m2；fi为i段塔设备的风压高度变化系数，按表查取；li为i段离地高度；dei塔设备各计算段的有效直径。fi由下表选取，由于化工设备一般设于郊区所以按照b类地面粗糙度。表5.7风压高度变化系数fi距地面高度hit地面粗糙度类别abc51.170.800.54101.381.000.17151.521.140.84201.631.250.94301.801.421.11401.921.561.24502.031.671.36602.121.771.46702.201.861.55802.271.951.64902.342.021.721002.402