毕业设计（论文）-DN4000水煤气洗涤塔设计.doc

南华大学机械工程学院毕业设计前 言水煤气是由水蒸气通过炽热的焦炭而生成的气体，它主要的成份是一氧化碳，氢气和燃烧后排放水和二氧化碳，并且带有微量的CO、NOX和HC。水煤气的燃烧速度是汽油的7.5倍，而且它的抗爆性好。据国的外研究和专利报导水煤气的压缩比不仅可高达12.5，热效率提高了2040%、功率提高15%、燃耗降低30%，尾气净化近欧IV标准，并还可以用微量的铂来作为催化剂进行净化。相比于醇、醚其制造更简化和设备应用更少，这要造成成本和投资也就更低。在工业生产中水煤气不仅是合成氨及液体燃料等的原料，还是作为工业燃料气补充的来源之一。显然易见在现实中水煤气得需求量是比较大的，它的大量生产对于社会来说也是十分必要的。全套图纸加扣 3012250582洗涤塔是水煤气在生产过程中十分重要的的一个单元。水煤气洗涤塔的结构主要包括：填料、塔内件及塔体。是塔设备的一种，属于吸收塔。一个完整的填料塔由塔内件和填料及塔体共同构成。洗涤塔的塔内件主要包括的是以下几个部分：液体的分布装置、填料的支撑装置、填料的压紧装置、气体进料及分布装置、液体的收集再分布器及进出料的装置、除沫装置等等。随着技术的进步，近年来填料塔的各项技术都有了长足的进步，开发出了不少的高效填料以及新型的塔内件，特别对新型的高效的规整填料的不断开发与应用，直接冲击者以板式塔为主的局面，并且大有取代板式塔的趋势。从填料塔的发展史我们可以看出：至80年代末对于新型填料的研究始终还是十分的活跃，特别是新型规整填料的开发。所以有人就说是填料塔的发展就是规整填料的发展。但是就其从整体上来说，对于塔填料结构的研究又始终又是沿着2个方面来进行的：一是同步对散堆填料与规整填料进行开发。二是加强对进填料材质更换的研究，使之能够适应不同的工艺要求，进而能够提高塔内气液两相之间的传质效果，而且使之能对填料的表面进行适当的处理(包括：板片碾压麻点或细纹，表面化学改性，在板片上粘接上石英砂等等)，用来改变液相在填料表面上的润湿性。随着对新型塔填料的相继开发与应用，填料塔的优点就更显突了出来：其应用的范围日益扩大。不仅在炼油、精细化工、石油化工、制药、化肥和原子能工业部门以及在环保领域的应用也已趋于成熟。在对常压及中压下的蒸馏、真空蒸馏中填料塔尤其适用。当然对于有大气量的两相接触过程也是比较适用的。随着技术的发展可以预测：21世纪塔器的分离技术将会向着复合化、行业化、大型化、节能化等方向发展。本次设计的起始时间是2013年1月6日，通过段小林老师的悉心指导，本次设计共经历了资料收集、文献的查阅，确定设计方案及编写设计说明书，图纸的设计等过程。也通过这次设计让我们对填料塔的发展历史，组成结构，塔设备的设计和制造过程及塔设备的生产工艺有了更加深刻的认识和理解。进一步的巩固了所学的专业知识，提高了自己独立查找资料的能力以及和同学之间相互交流能力，可以说这是自己对大学四年所学专业知识的一次比较全面的检验总结和巩固。然而我深深的知道本人设计水平有限，知识是无尽的，自己的实践经验也不足以及其他一些因素的限制，此设计必定会存在很多不足，希望各位老师、同学批评指正。 2013.1.6 第一章 结构设计1.1填料的选择填料是填料塔的核心内件，填料的选用主要根据其效率、通量、和压降三个重要的性能参数决定。包括确定填料的种类、规格及材质等。填料分为散装填料和规整填料两种。在进行设计时所选用的填料既要满足生产工艺的要求，又要使设备投资和操作费用较低的条件。鲍尔环是外径和高度相等的空心圆柱体，在圆柱侧壁上冲出上下两层交错排列的矩形小窗，冲出的叶片除一端连在该壁上外，其余部分全弯入环内，围聚环心，如图1-1所示。我国现行的标准规定开孔率取35%。此次设计中综合考虑上述因素选用的是50金属鲍尔环。其物性和形状如表1.11及下图1.1所示。表1.1 50金属鲍尔环的物性参数:图1.1 鲍尔环 （a）钢环； （b）瓷环1.2填料层高度的选择： 填料层的分段：由设计说明书可知塔高为23.3m,塔体比较的高。当液体沿填料层往下流时，由于重力等因素的影响会使液体有逐渐向塔壁方向集中的趋势，进而形成壁流效应。壁流效应会造成填料层气液分布不均匀，从而导致传质效率降低。因此在设计中应考虑将填料层进行分段，设计液体收集分布器。从而保证液体在调料层中分布均匀，同时为上升气体提供横向混合的空间和机会，减小放大效应，提高传质效率。对于散装填料，一般推荐高度见表，表中的h/D为分段后高度与塔径比，hmax为允许的最大填料层高度散装填料分段高度推荐值如表1.2:填料类型拉西环鲍尔环矩鞍环阶梯环环矩鞍h/D2.551058815515Hmax/m46666故取每段填料层高度为3.5m，分三段。1.3塔内件及其附件的选择1.3.1除沫器的选择由于当塔内操作气速较大时，那么就可能会出现塔顶雾沫夹带，这不仅会造成物料的流失，也会使塔的效率降低，并且还有可能对环境造成污染。因此为了避免这种情况产生，就需要根据规定在塔顶处设置合适除沫装置，近而减少液体的夹带损失，提高塔的效率，确保后续设备能够正常工作。生产中常用的除沫装置可分为：丝网除沫器、折流板除沫器以及旋流板除沫器。此外，还有多孔材料除沫器及玻璃纤维除沫器。根据此次填料塔的设计条件和化学工艺设计手册选用用丝网除沫器。它是应用最为广泛的除沫装置之一，具有比表面积大、重量轻、空隙率大以及使用方便等优点。以及除沫效率高、压力降小的特点。因为本设计汽提塔的塔径为4000mm，直径较大，故采丝网除沫器，根据化学工艺手册规定丝网块直径应小于塔设备的内直径，并且要安装在塔顶出气口处，所以需要另加一圆筒短节用来安放网块。采用的是下拆式结构，根据规定可知丝网层厚度一般取100 150 。根据设计条件选用100 标准型（N型），结构形式如下1-3：图1.2除沫器1.3.2填料支承装置的选择根据设计条件塔径为4000mm较大，若选用分块式栅板则需要4块以上，因此根据设计条件和化学工程师设计手册和化学工艺设计手册选用气体喷射支撑板来作为填料的支承。其与分块式栅板相比之下的较大的优点有：自由截面大，一般在90%以上，流体阻力小。但是其结构却比较复杂。1.3.3液体再分布器当填料塔的填料层比较高时，液流有流向塔壁造成“壁流”的倾向，进而造成了液体的分布不均匀，甚至还会造成塔中心处的填料都不能被湿润，从而引起“干锥”的现象，大大的降低了填料塔的效率。为了消除这样的现象，提高塔的效率，故将填料层分段，每层填料层间设置液体再分配器，使整个填料塔高度内的填料都能被均匀的喷淋。在本设计中，由于塔径为4000mm过大，采用气体喷射支撑板，所以就不需要再设置液体再分布器了。1.3.4塔吊柱的选择在进行吊柱的选择是要考虑吊柱的方位和回转半径S，吊柱不仅在经过人工推转后能使经过吊柱的垂线可以转到人孔的附近，而且还可以使吊钩的垂线能够转到平台外，这样以便将所选取的塔内件从塔平台之外的场地上能够吊到塔平台上的人孔处或者是反过来将它内件从塔平台上人孔处吊到塔平台之外的场地上。因此吊柱的方位应当要首先取决于人孔所在的方位。而人孔方位的确定是由管道专业人员根据设备的布置及配管的要求来确定。其结构如下： 图1.3吊柱其尺寸如下表表1.3SLHREL重量标准图号240045501550219101000300120471HG5-1373-80-26吊杆的材料采用的为20号无缝钢管，而其他材料采用的为A3F钢。支座垫板的材料与塔体材料采用是相同的。吊柱下端的支承结构所采用的是椭圆形封头。吊杆的计算是以整根管子来作为计算依据的。如果管子的长度不够那么就需要进行拼接，这时应符合以下的要求：a）只允许拼接一处。b)进行拼接的位置只能是在下图所示的B至C，E至W之间。C）采用的焊接结构应按下图所示。采取的焊缝系数为：0.9. 图 图1.4封板通过查化学工艺手册可知：用管子来制作的吊柱都是焊有端封板的，那么为了防止雨水的灌入而引起生锈。所以封板上方开直径为30的牵引孔。 吊钩通过查化学工艺手册可知：吊钩常用的形式有三种，其中又是以圆钢弯成U形焊在吊杆上的形式用的最为广泛，所以此次设计中采用的就是这种形式。其结构图如下：图1.5 吊钩1.3.5人孔的设计与选择通过查中华人民共和国行业标准钢制手孔和人孔此次设计中选用的是“回转盖板式平焊法兰人孔” （HG/T 21516-2005）它的形式如下：0.6图1.6 人孔1.3.6接管法兰的选择通过查中华人民共和国标准GB9112.2 88此次设计中选用的是PN0.6Mpa平面板式平焊法兰其结构如下图：图1.7 接管法兰具体尺寸如下表表1.4公称通径DN管子外径A法兰外径D螺栓孔中心圆直径K螺栓孔径L螺 栓法兰厚度C法兰内径B法兰理论重 量Kg数量n螺纹Th100 114.3210170184 M161890.52.95150168.6265225188M1620170.54.75700711.68608102624M2440-1.3.7接管的选取根据设计条件和化学工艺设计将选取如下：气体的进出口管D选用的是型号为DN700mm的接管液体的进口管选取的是型号为DN100的接管液体的出塔接管选取的是型号为DN150的接管。1.3.8压力容器法兰的选择 通过查中华人民共和国标准压力容器法兰分类与技术条件即（JB/T 4700-2000）,根据化学工艺设计中的设计工艺条件，选用的是乙型平焊法兰。又根据JB/T 4701-2000来确定其结构和尺寸：选取的是型号为DN3000mm的法兰。 图1.8 凹凸面密封表1.5第二章 塔结构设计2.1结构设计2.1.1工作参数操作压力Pw：常压操作温度Tw：140C入塔物料： 半水煤气 水塔高：23.3米； 塔径：4米塔类型： 填料塔 环境： 衡阳室外2.2设计参数的确定2.2.1 设计压力 根据0580-1998钢制化工容器设计基础规定中的表4-1设计压力选取表的要求，此设计的设备无安全泄放装置，计算压力Pc应当取1.01.1倍工作压力Pw，所以计算压力Pc为：1.10.1Mpa=0.11Mpa，此设计的塔设备内为气相空间，所以此时液柱静压力应当为：P1=0Mpa；有此可知设计压力应当为：P=Pc=0.11Mpa.2.2.2设计温度根据20580-1998钢制化工容器设计基础规定表5-1设计温度选取表要求可得：当塔工作温度T15C的时候，设计温度Tc在工作温度T上应当增加1530C，在这里我们选取20C，则可知设计温度为160C。2.2.3塔体材料 因为设计温度为160C，入塔物料为酸性气体，并且气体当中含有一定的H2，所以应当要考虑氢的腐蚀。根据HG20581-1998钢制化工容器材料选用规定中的6.7.3规定，当设计温度大于等于200C的时候，与氢相接触的化工容器用钢应考虑氢的腐蚀危害。本塔设备设计的温度为160C，因此不需要考虑氢的腐蚀作用。设计的压力为P=0.11Mpa,应当属于低压设备中的吸收设备，分为一类容器；由于介质腐蚀性未提特殊要求，所以选用16MnR作为吸收此塔体的材料。2.2.4液压试验压力 根据GB150-1998钢制压力容器3.8.1要求来计算液压试验的压力为：PT=1.25P公式中：PT试验压力 MPaP设计压力 MPat容器元件材料在设计温度下的许用应力 MPa容器元件材料在试验温度下的许用应力 MPa由GB150的表4-1可知16MnR在设计温度160C下材料的许用应力为:t=170 MPa又已知试验温度下的材料许用应力=170 MPa;所以液压试验的压力为:PT=1.25P=1.250.111=0.1375 MPa由上述的的设计条件，根据过程设备设计中关于压力容器的分类标准可知：该填料塔应当属于一类容器，设计压力，受压元件的材质，焊缝系数及试验压力的具体的参数如下表2-1，容器类别： 一类 设计压力 （MPa）： 0.11设计温度： 160C 操作介质： 半水煤气 水主要受压元件材质：16MnR 焊缝系数： 1液压试验压力（ MPa）：0.138表2-12.2.5焊缝系数 根据过程设备设计可知：A,B类焊缝均进行100%的射线检测，因此去焊缝系数为：1.0。2.3筒体的厚度选择2.3.1符号：根据查化学工程师手册和过程设备设计中的规定在塔设备设计中有：C 厚度附加量（mm） C=C1+C2C1 钢材厚度负偏差（mm）C2 腐蚀裕量（mm） 按设计参数取 圆筒的内直径 =4000mmP 设计压力（MPa） 按设计参数取 P=0.11 MPaPc 计算压力P 设计温度下圆筒或封头的最大允许工作压力，MPaPw 圆筒的最大允许工作压力，MPa 圆筒或封头的设计厚度，MPa 圆筒的计算厚度，mm 所以1 ；圆筒的有效厚度，mm 圆筒的名义厚度，mm 16MnR在160时的许用应力，由设计标准可知为170MPa ; 塔体焊缝采用双面对接焊，进行局部无损检测，C2 腐蚀裕量，根据过程设备设计中的工艺条件取C24 ；2.3.2设计温度下圆筒的计算厚度由过程设备设计中的设计方法可知：按强度条件，那么筒体所需要的厚度为： +C2 +C2 =1.29+2 =3.29 其中为腐蚀裕量，无特殊的腐蚀情况下，那么对于碳素钢和低合金钢，不小于1，所以就取=2；为钢材负偏差，使用中若钢板厚度超过了5mm时（如20R、16MnR和16MnDR等）那么可取=0，由此则可得：。 又根据钢制压力容器（GB150-1998）中的相关规定：对于低合金钢制的容器，不包括腐蚀裕量的最小厚度应不小于3。所以圆筒设计的厚度为：查钢材标准的规格，取圆筒的名义厚度为：=10,2.4球形封头的厚度选择2.4.1符号同1.5.1.1注释2.4.2设计温度下球形封头的计算厚度根据过程设备设计采用标准的椭圆封头，封头的设计厚度为： +2 2.46 ； 根据钢材标准的规格，同时为了便于焊接，所以取封头与筒体等厚，因此：=10 ；第三章 填料塔载荷分析及强度的校核3.1载荷分析 压力容器受到介质压力，支撑反力等多种载荷的作用时候。确定全寿命周期内压力容器所受到的各种载荷，是正确设计压力容器的前提。分析载荷作用下压力容器的应力和变形，是压力容器设计的重要理论基础。载荷是指能够在压力容器上产生应力应变的因素，如介质压力，风载荷，地震载荷等。3.1.1塔体上各项载荷计算：根据化工工艺设计手册及过程设备设计有：塔设备的操作质量为：塔设备的最大质量为：塔设备的最小质量为： 塔体总质量， 其中筒体质量：根据查的表得，1米高（10厚）筒节钢板所具有的质量为：737； 1米高筒节的具有的容积为：7.065m3 ；那么根据设计要求可知筒体质量 m1=23737=16951 ；封头质量：根据查的表可得EHA椭圆封头的容积为：3.817m3 ；其壁厚为10质量为：m2=775 ；裙座的质量：根据查的表可知裙座的质量为：Q32211那么塔体的质量应为：m01m1+m2+m3=16951+7752+2211=20712 ；塔段内件的质量为： 根据公式：填料质量体积堆积密度 （4）210.539552096 ； 塔段内其他内件的质量约为50；所以塔段内件的质量应为：m0252096+5052146；保温层质量：根据要求可知（50，第m3质量0.5t）所以其质量应为：m031086.9 ；平台、扶梯的质量（）：根据设计要求有操作平台共有五层，每层约为500及斜梯（总的高度为20m，每5m的重量为：125） 所以平台、扶梯的质量应为：m045500+41253000 ；操作时塔内物料质量（）：料液m052%容积0.02（187.065+23.817）10002696 ；人孔、接管、法兰等附件的质量应为：，按经验取附件的质量为：=0.25充液质量充水质量4218103226080根据上述的计算那么有：塔设备的操作质量 20712+52416+1086.9+2696+3000+5178 85088.9 ；塔设备的最小质量 =20712+0.252416+1086.9+3000+5178 =40460.1塔设备的最大质量 =20712+52416+1086.9+2696+226080+3000+5178 =3100823.1.2地震载荷与地震弯矩的算地震载荷是指作用在容器上的地震力，它产生于支撑容器的地面突然震动和容器对震动的反应。地震时，作用在容器上的力是十分复杂的，为了简化设计的计算，通常采用地震影响系数，把地震力简化当量剪力和弯矩。当发生地震的时候，塔设备作为悬臂梁，在地震载荷的作用下就会产生弯曲变形。所以安装在七度或者是七度以上地震烈度地区的塔设备必须考虑它的抗震能力，计算出它的地震载荷。使设计做到安全规范。首先，根据设计手册中的方法选取计算截面（包括危险截面）。该设计中将全塔共分为4段。其计算的截面分别标为：0-0、1-1、2-2、3-3，其中0-0、1-1、2-2为危险截面。根据设计手册取综合影响系数为：根据过程设备设计第二版的表7-9取第二组类场地土所对应的的特性周期为=0.3根据过程设备设计第二版的表7-10取设防烈度为7时地震影响系数最大值为=0.08。地震影响系数根据场地土的特性周期及塔的自振周期由分析设计方法确定，并且不得小于,即=设等直径、等壁厚塔设备的任意截面距地面的高度为，那么基本振型在截面处产生的地震弯矩应当为：上式中为塔单位高度上的质量，即当塔设备H/D15或H20m时，应当还需要考虑高振型影响，这时应根据第一、二、三振型，分别计算塔设备的水平地震力及地震弯矩。然后再根据振型组合的方法来确定作用于质点处的最大地震力和地震弯矩。而这样的计算方法是很复杂的，因此在进行稳定和其他验算的时候，可按由第一振型的一种简化计算方法计算的结果来估算地震弯矩即：公式来计算由此可得：操作质量为：；当量质量为：=；垂直地震的影响系数为：；底截面处垂直的地震力： 底截面处地震弯矩为： 1.250.03685088.99.8123300 4108那么在截面1-1处地震弯矩应为：3.4108截面2-2处地震的弯矩应为：=截面3-3处地震的弯矩应为： =1.231073.1.3填料塔自振周期的计算 在进行塔设备的振动分析时，一般的情况下是不考虑平台及外部接管的限制作用和地基变形的影响，而是将塔设备看成是顶端是自由，而底部是刚性固定，质量沿高度方向连续分布的悬臂梁，根据过程设备设计第二版 （7-5）式第一振型计算式可知其基本的震型自振周期为：式中其中为塔单位高度上的质量即，所以有：=而允许振动的周期为： 式中 Q 总剪力 Q35023.3432620 N；显然可得实际振动的周期未超过最大允许振动的周期。3.1.4设计的塔体的风载荷及风力矩的计算 各计算段的外径均为=；塔顶处的管线是气体的出口，根据化学工艺手册取塔顶管线的直径为：D0=350由化学工艺手册取第段保温层的厚度为：；根据设计要求取得在管线上的保温层厚度为：；选用的扶梯为笼式，它的当量宽度应为：=400mm；取各段平台构件所形成的的投影面积为： =；所以操作平台当量宽度应改为：，塔设备迎风面的所要考虑的有效直径应当是该段所有受风构件迎风面宽度的总和。所以当将塔顶管线和笼式扶梯布置成为180时，塔设备迎风面所形成的有效直径应为：而当塔顶管线和所选用的笼式扶梯布置成为90时,则应选取下列两式之间较大的那个值。根据查过程设备设计第二版的表7-5可得：风压高度变化系数可根据各计算段顶截面距地面高度而得，计算如下： 体型系数 风压在不同体型的结构表面分布亦不相同，对细长的圆柱形塔体结构，取体型系数为：=0.7.风振系数 ：塔设备设计时考虑风载荷的脉动的性质和塔体的动力特性而折算的系数。当塔高时，取1.70。而当塔高时， 则按下式计算 根据此次设计的条件，塔高为大于20m，通过计算得：K2=1.8前面已求出塔设备自振周期， 根据化工设备机械基础的表17-2，取衡阳地区基本风压值为350=350假设土地粗糙度类别为B类，则由值查过程设备设计第二版的表7-6得脉动增大系数为：=3.28，查过程设备设计第二版表7-7得，脉动影响系数分别为=0.72，=0.72，=0.72，=0.79查过程设备设计第二版表7-8，根据表结合/式子可得第段振型系数为： 为了简化计算且偏安全计算，则各段都均取 Dei=4020+250+400+450=5070 ；根据计算各段的水平风力：=10-6=0.71.80.000351.010005070=2235.8 N10-6=0.71.80.000351.050005070=11178.9N10-6=0.71.80.000351.080005070=17886.2 N10-6=0.71.80.000351.090005070=20122.04 N根据材料力学的弯矩计算公式可得塔设备任意截面处的风弯矩为：所以塔设备底截面（0-0截面）的风弯矩应为： =2235.8+11178.9（）+17886.2（）+20122.04（） =5.91081-1截面风弯矩应为： =11178.9（）+17886.2（）+20122.04（） =5.41082-2截面风弯矩应为： =17886.2（）+20122.04（） =3.231083.1.5偏心弯矩由于本设计中的塔体上并没有悬挂附属设备或其他附件，因此偏心弯矩应为：3.1.6最大弯矩 根据材料力学中计算弯矩的公式及考虑的因素可知：最大弯矩取和两者中的较大值。通过计算可得其计算值如下表2-2：表2.2 最大弯矩选择计算内容计算公式及数据00截面11截面22截面5.91108 5.41083.231085.474.751.88最大弯矩5.911085.41083.231083.2塔设备强度校核由于塔设备大多都是安装在室外，靠的是裙座底部的那些地脚螺栓来固定在混凝土的基础上，所以通常称为这样的塔设备为自支撑式塔。塔器除了要承受介质的压力之外，塔器设备还要承受一些其他各种重量（包括塔内件，塔体，操作平台，保温层，扶梯等附件的重量等等）、偏心载荷、管道推力、风载荷及地震载荷的联合作用等等。并且还由于在正常操作，停工检修，压力试验等这三种工况之下，塔器所受到的载荷也是并不相同的，那么为了确保塔设备的安全性，就必须要对其进行轴向强度的校核及其稳定性的校核。3.2.1塔体的强度及轴向稳定性验算。 根据前面的计算有：0-0，1-1， 2-2段以上的操作质量分别为61944.9，53171.6 ，26585.8kg根据过程设备设计中的设计要求有：塔底危险截面（1-1）各项轴向应力的计算如下： 13.75Mpa ； 5.175Mpa ；4.3Mpa ； 塔底1-1截面抗压强度及轴向稳定性验算如下： + 上式中 为筒体轴向压缩稳定的许用应力 ； B0.06 Mpa ； K 载荷组合系数，K1.2 设计混充下材料的弹性模量 则有：200Gpa=2.0105Mpa =0.06=0.062.01056/600=104Mpa ；由于13.75+5.17518.925Mpa因此塔底1-1截面满足抗压强度的要求及轴向的稳定条件。根据过程设备设计的设计要求对塔底截面的抗拉强度进行校核： +K因为 K1.21700.85173.4Mpa ； =13.75-5.175+4.3=12.875M K 显然满足抗拉强度的条件。综合上述各项校核数据表明，厚度为10的塔体可以满足整个塔体的强度、刚度及稳定性要求。符合设计标准。3.3 裙座的强度及稳定性较核3.3.1裙座各危险截面的校核 根据化学工艺手册的设计要求，采用Q235-B钢作为裙座材料，设裙座厚度为：12，厚度的附加量为：C2，那么裙座的有效厚度应为：12-210 ；根据计算公式可得裙座底部00截面的轴向应力计算如下：当操作时由全塔质量引起的压应力为： 4.83M ；最大弯矩引起的00截面处的弯曲应力为： 3.77 ；裙座底部00截面的强度及轴向稳定性校核为： + 由于裙座材料采用Q235-B钢，则查表可得 113 ；而0.062.010511/600220即裙座出现失稳之前，材料已达到了其弹性极限，因此强度是该塔的主要制约因素。但又由于+ 4.83+3.778.6 ；因此满足强度及稳定性的要求。3.3.2焊缝强度的校核 根据化学工艺设计对塔裙座与塔体采用的是对接焊，焊缝承受的组合拉应力： 6.14-5.53=0.610.6K=0.61.277=55.4由此可知焊缝强度足够。上式中为焊缝材料在操作温度下的许用应力值。3.4水压试验时塔的强度和稳定性验算3.4.1水压试验时各危险截面的校核 水压试验塔体中11截面的强度条件应当满足： 0.9上式中的P 为液柱的静压力，因为塔体的高度约15m,所以取P0.15 0.90.92350.85179.78又由于35.110.9 显然是满足水压试验的要求。塔体进行水压试验的时对裙座底部00截面进行强度与轴向的稳定性校核： + 上式中 0.9K0.91.2235253.8 K264 由于 7.6+4.9 12.5 有上面的计算可知此次设计显然满足强度与轴向稳定性的设计要求。3.5裙座基础环的选择和设计 3.5.1 对填料塔基础环内外径的确定 根据化学工艺手册和化学工程师手册的设计标准和要求：取裙座的内径为：取裙座的外径为：；取基础环的外径为：Dob=Dis+（160400）=4000+300=4300 ；取基础环的内径为：Dib=Dis-（160400）=4000-300=3700 ；根据查的公式可得：基础环伸出的宽度应为： 3.5.2填料塔基础环的厚度的设计 根据化学工艺手册和化学工程师手册的设计标准和要求：对基础环采用的是n=16个均布的地脚螺栓来固定在混凝土的基础上，基础环上的相邻两筋板最大外侧的间距为：l=160；相应的基础环面积应为：=；计算基础环截面的系数:；对填料塔进行水压试验时的压应力计算如下：; 操作时的压应力计算如下：；根据化学工艺手册和过程设备设计可知：混凝土基础上的最大压力应为：取与之间的较大值，通过上面的计算可知：=0.73进而可知两筋板间基础环部分的长宽比应为： 0.86 ;根据查矩形板的力矩表可知：计算力矩则应当取与之间的较大值，所以通过上面的计算可得：=1816；当有筋板时，基础环的厚度由计算公式可得：，又根据查化学工艺手册知道基础环的厚度一般不小于16，所以取其厚度为：=16； 3.6地脚螺栓的强度计算 由化学工程师手册和化学工艺手册对地脚螺栓进行强度设计：根据计算公式有：最大拉应力最大拉应力=基础环中螺栓承受的最大拉应力应当取与之间的较大值， 所以有：=0.37MPa0 因此，本设计中的塔设备应当设置地脚螺栓。又根据查石油化工塔器设计规范SH 3098-2000的表5.3.15-2可得：地脚螺栓个数n应当取为24，取地脚螺栓的腐蚀裕量为：由设计公式可计算地脚螺栓螺纹小径为：故所取的24-M24地脚螺栓显然满足设计要求。第4章 开孔和开孔补强设计 4.1开孔及开孔的补强方法根据GB150-1999的规定，对塔体进行开孔是，塔壳体上开的孔应为圆形、椭圆形或长圆形。当在壳体上开椭圆形（或类似形状）或长圆形孔时，孔的长径与短径之比应不大于2.0。 根据过程设备设计可知由于塔设备的各种工艺和结构上要求，那么就不得不在容器上进行开孔并还要安装一些接管。而进行开孔以后不仅造成了对器壁原有的强度造成削弱作用外，而且还在接管与壳体之间的连接处对各部件的结构的原有的连续性造成破坏，这样的话就会使在部件连接处的局部应力值增高，进而会对容器的在进行安全操作时带来一些隐患，因此所以不得不在压力容器设计时就充分考虑到开孔补强等问题。 开孔的补强结构 对压力容器接管的补强结构通常采用的是进行局部补强，主要的是采用补强圈补强、厚壁接管补强及整体煅件补强这三种补强形式。 （1）补强圈补强 补强圈补强是对中低压容器开孔后进行补强应用最为广泛的补强结构，将补强圈贴焊在接管与壳体的连接之处。它具有结构简单，制造方便，使用的经验丰富等的特点和优势，但由于壳体的金属与补强圈之间处不能够完全的形成贴合，进而会导致传热效果比较差，且当在中温以上条件下采用的时候，二者就会产生较大的热膨胀差，促使补强的局部区域的热应力会变得更大；除此之外，将壳体与补强圈之间采用搭接连接的方法来进行焊接，这样就难以让补强圈和壳体形成一个整体，由此也会导致塔体的抗疲劳能力差。所以采用这种补强结构时应当遵循以下条件：a）一般使用在常温、静载、中低压、钢材的标准抗拉强度下限值、b) 壳体名义厚度 38c)补强圈的厚度 1.5。 （2）厚壁接管补强 即在开孔的地方处焊上一段厚壁的接管。是因为这样接管的加厚部分就正好处于最大应力区域内，所以与补强圈相比就能更有效地降低应力的集中系数。接管补强具有结构简单，焊缝少，焊接质量容易检验等特点和优势，因此达到的补强效果就较好。由于高强度低合金钢压力容器材料的缺口敏感性比较高，一般采用的都是该种结构，但采用此结构时必须注意要保证达到焊缝全熔透的条件。（3）整体锻件补强 采用的该种补强结构进行补强就是将部分壳体和接管及采用的补强部分一起做成整体式的锻件，再将接管和壳体与之和进行焊接。这种方法所具有的的优点是：补强用的金属就会集中在开孔应力最大的部位，这样就能有效地降低应力集中系数；此种方法可采用对接焊缝，并且将焊缝及其热影响的区域离开最大应力点，具有抗疲劳性能好，且设备的疲劳寿命却只降低了10%15%。但这种补强方法的缺点是锻件供应困难，锻件的制造的成本较高，因此通常只在重要的压力容器中采用这种补强方法，比如核容器、材料屈服点在500以上的容器及开孔和受低温、高温、疲劳载荷容器的大直径开孔等。4.2开孔补强的设计准则在塔设备设计中对开孔进行的补强设计就是要适当地增加壳体或者是接管的厚度来降低应力集中系数，使之减小至某一允许数值。而目前通用的开孔补强设计准则是基于弹性失效设计准则的等面积补强法，这也是最早的设计准则。但随着对开孔补强方法研究的深入，也出现了许多新的设计思想，进而形成了一些新的设计准则，比如极限分析方法。在进行设计的时候，就要对于不同的使用场合及根据载荷性质来采用不同的设计方法，来满足设备的要求。将这些方法可分为下面几类：1）等面积补强：壳体因为开孔而被削弱的承载面积，须由采取的补强材料在离孔边一定距离的范围内给予相等面积的补偿。该方法是基于在双向受拉伸的无限大的平板上开有小孔时孔边应力集中作为理论，即只考虑壳体中金存在拉伸薄膜应力，又将以补强壳体的一次应力强度来作为设计准则，所以对于小直径的开孔就安全可靠。但由于补强法未计算开孔处的应力集中对强度的影响，也没有计入容器直径变化所带来的影响，因此会造成补强后对不同接管就会得到不同的应力集中系数，那么安全裕量就会不同，结果就会出现有时显得富裕，而有时则显得会有不足。等面等补强准则具有有长期的实践经验，简单易行等优点，当开孔比较大的时候，只要给予一定的配套限制，那么在一般压力容器使用条件下能够保证安全，所以不少国家主要采用这种设计规范，列如ASMEVII1和GB150等。2）极限分析补强：该种方法的要求是带有某种补强结构的接管与壳体发生塑性失效时的极限压力和无接管时的壳体极限压力应当基本相同。塔设备进行设计时允许的不另行补强的最大开孔直径压力容器再设计时常都常都存在各种强度裕量，根据GB150的规定，当在设计压力不大于2.5的壳体上进行开孔，且相邻两开孔的中心间距（对于曲面间距用弧长来计算）大于所开两孔直径之和两倍时，并且接管的公称外径不大于89时，那么只要接管的最小厚度满足下表所列的要求时，就可不另行进行补强。不需要进行另行补强的接管的最小厚度表：接管公称外 径253238454857657689最小厚度3.54.05.06.0等面积补强的计算 在过程设备设计中等面积补强设计方法主要是用于补强圈结构的补强计算。其基本的原则如前所述，就是为了让有效强的金属面积等于或大于开孔所削弱的金属的面积。在过程设备设计中允许开孔的范围 采用等面积补强法就是以无限大平板上开小圆孔的孔边应力分析来作为其理论依据。但实际上开孔的接管是位于壳体而并不是在平板上，壳体上总是会有一定的曲率，为了减少实际的应力集中系数与理论分析结果之间差异，那么就必须对开孔的尺寸及形状给予一定相应的限制。查GB150可得对开孔的最大直径作了如下的限制： 圆筒上开孔的限制，当塔的内径时，那么所开的孔的最大直径为：，并且有：；当塔的内径时，那么就有所开孔的最大直径就为：，且有：。在凸形封头上或者是球壳上能开的孔的最大直径为：。在锥壳（或者锥形封头）上所开孔的最大直径为，式中为所开孔的中心处锥壳的内径。若是在碟形封头或者是椭圆封头过渡处进行开孔时，那么所开的孔中心线则宜垂直于封头的表面。 这时对于所需的最小补强面积A 对于受内压的圆向或球壳，那么根据计算公式所需要的补强面积A应为： Ad+上式中 为强度的削弱系数，它等于在设计温度下接管材料的许用应力与壳体材料的许用应力之比，则当该值大于1.0时，则取1.0 。D 开孔直径，圆形孔的直径等于接管内直径加2倍厚度的附加量，椭圆形或长圆形孔取所考虑平面上的尺寸（弦长，包括厚度附加量），；A 开孔所削弱的补强面积， ； 壳体开孔处的计算百度，； 塔设备有效的补强范围 根据塔设备的应力分布图可知在壳体上开孔处的最大应力应在孔边，并且随者离孔边距离的增加而减少。如果在离孔边一定距离的补强范围内加上补强材料，那么可有效降低应力水平。壳体在进行开孔补强时，它的补强区的有效范围应当按照WXYZ确定，如果超过此范围进行补强那么是没有作用的。根据查到的计算公式则有有效宽度B按下式计算，取二者中的较大值 上式中 B 补强的有效宽度，； 壳体开孔处的名义厚度，； 接管的名义厚度，； 塔内外径的有效高度应当按下式来计算，且应分别取式中的较小值： 其中外侧的高度为： 内侧的高度则为： 补强范围内采用的补强金属 在有效补强区WXYZ内，可将作为有效补强的金属面积分为以下几个部分。 壳体上有效厚度去减计算厚度之后剩下的多余金属的面积。 拿接管的有效厚度去减计算厚度之外的剩下的多余面积。 在有效补强区内焊缝金属形成的截面积。 由在效补强区内处另外再增加的补强元件所形成的金属截面积。式中 壳体开孔处有有效厚度，； 接管计算厚度，。若 =+ +A式中 在有效补强范围内另外加上的补强面积，；则开孔后不需要另行补强。若=+ +A则开也需要另外补强，所增加的补强金属截面积应满足 A-补强采用的材料一般需要与壳体的材料相同，如果所采用的补强材料的许用应力值小于壳体材料的许用应力值，那么补强面积就应当按随着壳体材料许用应力与补强材料许用应力之比而增加。如果采用的补强材料的许用应力大于壳体材料的许用应力，那么所需补强面积就要减少。上面叙述的是介绍的壳体上单个开孔等面积的补强计算方法。而当存在多个开孔时，并且各相邻孔之间的中心距小于两孔平均直径的两倍时，那么这些相邻的孔就不能再以单孔来进行计算，而是应当作为并联开孔来进行联合补强的计算。承受内压的壳体，有的时候不可避免地要开直径很大的孔。那么当所开的孔的直径超过标准中所允许的开孔的范围时，那么在孔周边就会出现较大的局部应力，这时就不能采用等面积补强法来进行补强计算。目前，开孔的直径很大时，采用的的补强方法常采用的是分析设计标准中规定的方法和压力面积法等方法来进行分析和计算。4.3接管补强的判定 根据设计参数可知：内径4000，采用的是标准椭圆封头，且在封头中心位置处设置有直径为的内平齐管，封头的名义厚度为：10，设计的压力为：0.11，设计的温度为：，接管外伸的高度为：，对于封头和补强圈的材料选取的为：，其许用应力为：，取的接管材料为10号钢，其许用应力为：112，而对于封头和接管的厚度附加量C均取的是4.对于焊接接头的系数取为：。补强原则及补强方法的判别，由上面所述可知，所允许的不另行补强的最大接管的外径为：。而本设计的开孔外径为：355.6，因此需要另行考虑其补强。补强计算方法的判别：由公式计算有开孔直径为：d=+2C=700+24=708本标准椭圆形封头的开孔直径为：d=708/2=1500,满足等面积法开孔补强计算的适用条件，因此可用等面积法来进行开孔补强的计算。开孔所需要的补强面积封头计算厚度 由于是在椭圆形封头的中心区域进行开孔，因此封头的计算厚度 0.87式中0.9（查下表）2.62.42.2