环矩鞍填料塔设计说明书.doc

目录1.概述31.1 填料塔的概述31.1.1 填料的类型41.1.2 填料的几何特性51.1.3 填料的性能评价51.2 填料塔的流体力学性能61.2.1 填料层的持液量61.2.2 填料层的压降61.2.3 液泛61.2.4 液体喷淋密度和填料表面的润湿71.2.5 返混71.3、 课题设计内容、设计参数71.3.1 设计内容71.3.2 设计主参数的确定72环形散装填料塔的结构设计82.1 填料的选择82.2 塔的内件选型及设计92.2.1 填料支承板92.2.2 填料压板92.2.3 液体初始分布器102.2.4 液体收集和再分布器（液体再分配装置）112.2.5 除雾沫器123.填料塔的载荷分析及强度校核123.1筒体和封头厚度计算123.2载荷分析143.2.1塔设备质量载荷计算143.2.2自振周期的计算163.2.3地震载荷与地震弯矩的计算163.2.4风载荷与风弯矩的计算183.2.5 偏心弯矩223.3强度校核233.3.1圆筒轴向力校核和圆筒稳定校核233.3.2塔设备压力试验时的应力校核243.3.3裙座轴向应力校核253.3.4基础环和地脚螺栓设计及校核273.3.5筋板设计及校核293.3.6盖板设计及校核303.3.7裙座与塔壳的对接焊缝313.3.8接管计算324 其他零部件的选取计算324.1静电接地板324.2塔顶吊柱325.翻译325.1英文文献325.2 英文文献翻译406.参考文献：447.谢 词451.概述1.1 填料塔的概述在石油、化工及轻工等行业中所设计到的均相流体分离过程，多采用吸收或径流的方法进行。所采用的设备称为气液传质设备，也称塔设备。作为塔设备，首先从结构上应能使气液两相在塔内充分接触，以获得较高的传质效率。按照塔内件结构形式，塔设备可分为两大类板式塔和填料塔。填料塔中装有一定高度的填料层，液体在填料表面行程液膜向下流动，气体自下而上与液体呈连续变化。由于填料塔的特定结构和由之决定的气液两相膜式接触传质，使之具有以下特点。1.生产能力大。2.压降低。3.分离效率较高。4.持液量小。5.操作液气比和弹性较大。填料塔由塔体和内件构成。塔体一般多为圆筒型，少数亦可方型。塔内件中核心组成部分是塔填料，分散堆型和规整型。此外，为固定填料层，设有填料支撑板和填料压板；为使液体均匀分布，在填料层顶部设有液体初始分布器，为减少液体的壁流现象，常将填料层分段放置，在两段填料层之间这有液体收集再分布器，在液体初始分布器上方装有除雾沫器；对大直径填料塔，气体入填料层前需经气体分布器，还设有各种气液进出口、人孔、视孔及人孔等部件。1.1.1 填料的类型 填料是填料塔中的传质元件，它可以有不同的分类。填料的类型有两大类：拉西环矩鞍填料；鲍尔环；鲍尔环是在拉西环的壁面上开一层或两层长方形小窗。波纹填料有丝网形和孔板形两大类。 对填料的基本要求有：传质效率高，要求填料能提供大的气液接触面。即要求具有大的比表面积，并要求填料表面易于被液体润湿。只有润湿的表面才是气液接触表面。生产能力大，气体压力降小。因此要求填料层的空隙率大。不移引起偏流和沟流。经久耐用具有良好的耐腐蚀性，较高的机械强度和必要的耐热性。取材容易，价格便宜。填料的种类很多，根据装填方式的不同，可分为散装填料和规整填料。 散装填料是一个个具有一定几何形状和尺寸的颗粒体，一般以随机的方式堆积在塔内，又称为乱堆填料或颗粒填料。散装填料根据结构特点不同，又可分为环形填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料等。现介绍几种较为典型的散装填料。其中有拉西环、鲍尔环、阶梯环、弧鞍环、矩鞍环、金属环矩鞍环、球形填料等。1.1.2 填料的几何特性 填料的几何特性数据主要包括比表面积、空隙率、填料因子等，是评价填料性能的基本参数。（1）比表面积单位体积填料的填料表面积称为比表面积，以a表示，其单位为m2/m3。填料的比表面积愈大，所提供的气液传质面积愈大。因此，比表面积是评价填料性能优劣的一个重要指标。（2）空隙率单位体积填料中的空隙体积称为空隙率，以e 表示，其单位为m3/m3，或以%表示。填料的空隙率越大，气体通过的能力越大且压降低。因此，空隙率是评价填料性能优劣的又一重要指标。（3）填料因子填料的比表面积与空隙率三次方的比值，即a/e3，称为填料因子，以f表示，其单位为1/m。填料因子分为干填料因子与湿填料因子，填料未被液体润湿时的a/e3称为干填料因子，它反映填料的几何特性；填料被液体润湿后，填料表面覆盖了一层液膜，a和e 均发生相应的变化，此时的a/e3称为湿填料因子，它表示填料的流体力学性能，f值越小，表明流动阻力越小。1.1.3 填料的性能评价 填料性能的优劣通常根据效率、通量及压降三要素衡量。在相同的操作条件下，填料的比表面积越大，气液分布越均匀，表面的润湿性能越好，则传质效率越高；填料的空隙率越大，结构越开敞，则通量越大，压降亦越低。采用模糊数学方法对九种常用填料的性能进行了评价，得出如表3-1所示的结论。可看出，丝网波纹填料综合性能最好，拉西环最差。1.2 填料塔的流体力学性能 填料塔的流体力学性能主要包括填料层的持液量、填料层的压降、液泛、填料表面的润湿及返混等。1.2.1 填料层的持液量 填料层的持液量是指在一定操作条件下，在单位体积填料层内所积存的液体体积，以(m3液体)/(m3填料)表示。总持液量为静持液量和动持液量之和，即 。填料层的持液量可由实验测出，也可由经验公式计算。一般来说，适当的持液量对填料塔操作的稳定性和传质是有益的，但持液量过大，将减少填料层的空隙和气相流通截面，使压降增大，处理能力下降。1.2.2 填料层的压降 在逆流操作的填料塔中，从塔顶喷淋下来的液体，依靠重力在填料表面成膜状向下流动，上升气体与下降液膜的摩擦阻力形成了填料层的压降。填料层压降与液体喷淋量及气速有关，在一定的气速下，液体喷淋量越大，压降越大；在一定的液体喷淋量下，气速越大，压降也越大。将不同液体喷淋量下的单位填料层的压降DP/Z与空塔气速u的关系标绘在对数坐标纸。1.2.3 液泛 在泛点气速下，持液量的增多使液相由分散相变为连续相，而气相则由连续相变为分散相，此时气体呈气泡形式通过液层，气流出现脉动，液体被大量带出塔顶，塔的操作极不稳定，甚至会被破坏，此种情况称为淹塔或液泛。影响液泛的因素很多，如填料的特性、流体的物性及操作的液气比等。1.2.4 液体喷淋密度和填料表面的润湿 填料塔中气液两相间的传质主要是在填料表面流动的液膜上进行的。要形成液膜，填料表面必须被液体充分润湿，而填料表面的润湿状况取决于塔内的液体喷淋密度及填料材质的表面润湿性能。1.2.5 返混 在填料塔内，气液两相的逆流并不呈理想的活塞流状态，而是存在着不同程度的返混。造成返混现象的原因很多，如：填料层内的气液分布不均；气体和液体在填料层内的沟流；液体喷淋密度过大时所造成的气体局部向下运动；塔内气液的湍流脉动使气液微团停留时间不一致等。1.3、 课题设计内容、设计参数 1.3.1 设计内容1.填料的选择；2.塔内件的选型及设计；3.筒体选材及壁厚计算；4.上下封头型式、材料的确定以及厚度的计算与校核；5.地震载荷、风载荷分析及强度校核；6.裙座设计及校核；7.地脚螺栓的设计及校核。 1.3.2 设计主参数的确定此次设计要求完成烷类组分（80%甲烷、10%乙烷、10%丙烷）塔的结构尺寸计算，强度计算校核，设计温度25，设计压力1.6;塔体的腐蚀裕量取2，地脚螺栓的腐蚀裕量取3；设定吸收剂为油。具体设计条件如下：设计压力：1.6设计温度：25塔直径：1.5塔高：30吸收剂密度：800地震设防烈度：7度基本风压值：350塔体建造场地：类场地土、近震、B类地区2环形散装填料塔的结构设计2.1 填料的选择参数对操作的影响常用数值填料尺寸一般填料尺寸越小，传值效率越高，但压力降越大，为防止液体向壁流的倾向，填料尺寸d与塔径D的比应小于一定值，一般取dD115110填料尺寸对塔径的推荐值塔径/M填料尺寸/M1，查表【5】表7-6，【5】表7-7，【5】表7-8得：故 已求出塔设备自振周期，查【6】表17-2，近似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【5】表7-6得脉动增大系数=1.7，查【5】表7-7得，脉动影响系数分别为=0.72，=0.72，=0.79，=0.85第段振型系数可根据/查过程设备设计第二版表7-8可知 各计算段的水平风力， ；将以上讨论数据整理如表4-1表3-1风载荷与风弯矩的计算计算内容数据0112233顶各计算段的外径()1524塔顶管线外径()300第段保温层厚度()100管线保温层厚度()100笼式扶梯当量宽度400各计算段长度()200040001100013000操作平台所在计算段长度()200040001100013000平台数0022操作平台当量宽度00163.6138.4各计算段的有效直径()212421242287.62262.4222422242387.62362.4各计算段顶截面距地面高度()241730风压高度变化系数1.001.001.251.46体型系数0.7风振系数1.98塔设备自振周期()0.3635045.36脉动增大系数1.7脉动影响系数0.720.720.790.850.060.200.5561第段振型系数0.020.060.341.00各计算段的水平风力2157.74315.415718.721468.6根据【2】式6-23塔设备任意截面处的风弯矩按下式计算：塔设备底截面（0-0截面）的风弯矩为 代入数值得=2157.7+4315.4（）+15718.7（）+21468.6（）=1-1截面的风弯矩为 代入数值的得=4315.4（）+15718.7（）+21468.6（）2-2截面的风弯矩为代入数值得=15718.7（）+21468.6（）3.2.5 偏心弯矩该塔塔体上并未悬挂附属设备或其他附件，故偏心弯矩3.2.6最大弯矩最大弯矩取和两者中的较大值，所以，在00截面：=在11截面：在22截面：计算数据如下表表3-2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 5.753.403.37最大弯矩3.3强度校核3.3.1圆筒轴向力校核和圆筒稳定校核由设计压力引起的轴向应力=此应力只存在于筒体，裙座上由设计压力引起的轴向力为操作质量引起的轴向应力最大弯矩引起的轴向应力，由此式可计算出：0-0截面上最大弯矩引起的轴向应力39.61-1截面上最大弯矩引起的轴向应力35.02-2截面上最大弯矩引起的轴向应力26.2许用轴向压应力取KB和K中较小值。查【5】附表D1可知在设计温度下16MnR的许用应力为170，Q235的许用应力为113。载荷组合系数等于1.2；系数=0.00125，根据A值查【5】图4-7得16MnR在设计温度下的系数B=125，Q235在设计温度下的系数B=120，所以KB值在00、11、22截面分别为144、144、150；K值在00、11、22截面分别为135.6、135.6、204，故而许用轴向压应力取K。对内压容器圆筒最大组合压应力，在00截面；在11截面；在22截面，满足要求。最大组合拉应力K在00截面；在11截面；在22截面，满足要求。数据整理如表3表3-3圆筒组合应力计算及校核计算内容计算数据001122KB 144144 150 K 135.6135.6204 135.6135.6204圆筒最大组合压应力（）48.443.835.0满足要求圆筒最大组合拉应力（）90.886.277.4K满足要求3.3.2塔设备压力试验时的应力校核进行压力试验时，试验压力=1.251.6=2.0查【5】附表D1得 筒体常温屈服点=3452-2截面=0.91.2345=372.62-2截面=1.2180=216筒体的许用轴向压应力取及中较小值，即=216根据【2】式6-42由试验压力引起的周向应力当试验介质为水时，=0.001，单位转换成的液柱静压力为，式中为3000，所以=0.305（满足要求）根据【2】式6-43试验压力引起的轴向应力；根据【2】式6-44重力引起的轴向应力；根据【2】式6-45弯矩引起的轴向应力=。压力试验时最大组合压应力=75+16.2=91.2，满足要求；压力试验时最大组合拉应力=75-16.2+7.8=66.6，满足要求。3.3.3裙座轴向应力校核塔设备常采用裙座支承。被设计中选择圆筒形裙座，圆筒形裙座轴向应力校核首先选取裙座危险截面。危险截面的位置，一般取裙座底截面（0-0）或裙座检查孔（人孔）和较大管线引出孔（）界面处。然后按裙座有效厚度验算危险截面的应力。（0-） 0-0）截面处（0-0）根据【2】式6-54截面积=150012=5.65（0-0）根据【2】式6-55截面系数=2.1由前面计算知，=144，=135.6裙座许用轴向应力取以上两者中较小值为135.6（1） 座体操作时底截面的最大组合轴向压应力应满足如下条件：，其中仅在最大玩具为地震弯矩参与组合时计入此项。故，在此， =40.7=135.6，满足要求。检查孔加强管长度取为120，检查孔加强管水平方向的最大宽度取为450检查孔加强管厚度取与筒体壁厚一致为10。根据【2】式6-59=212010=14401-1截面处裙座筒体截面积：根据【2】式6-58 ；根据【2】式6-60=1-1截面处裙座筒体截面系数 =1-1截面组合应力操作时底1-1截面的最大组合轴向压应力应满足如下条件，其中仅在最大玩具为地震弯矩参与组合时计入此项，故 135.6，满足要求水压试验时，最大组合轴向压应力应满足如下条件：，故135.6，满足要求3.3.4基础环和地脚螺栓设计及校核群座内径=1500；裙座外径=1500+210=1520；根据【2】式6-62和式6-63基础环内外径计算公式分别为=1500+300=1800；=1500-300=1200；基础环伸出宽度根据【2】式6-67地脚螺栓承受的最大拉应力取=和=中的较大值。其中仅在最大玩具为地震弯矩参与组合时计入此项。其中根据【2】式6-69基础环截面系数=根据【2】式6-68基础环面积=故基础环地脚螺栓承受的最大拉应力=1.320，塔设备必须设计地脚螺栓。先将地脚螺栓个数取为16（4的倍数）材料选择Q235。对于Q235，取许用应力=147地脚螺栓腐蚀裕量取为3，根据【2】式6-70则地脚螺栓螺纹小径=故取地脚螺栓满足要求基础环伸出部分平均周长为=5212.420个地脚螺栓均布排列，每一个地脚螺栓两侧，基础环与盖板之间要设置筋板，相邻两筋板最大外侧间距取为140基础环材料许用应力：对于低碳钢材料取为140。水压试验时的压应力操作时压应力混凝土基础上的最大压力取以上两者中的最大值 即：=1.82因=1.03，故对轴的弯矩=-负号表示方向对轴的弯矩计算力矩取以上两者中大值 即：=4453.3故，根据【2】式6-66有筋板时基础环厚度无论有筋板或无筋板侧基础环厚度都不得小于，故此设计中取基础环厚度3.3.5筋板设计及校核根据【5】附表4-9耳式支座主要尺寸0选支座号为3的型筋板，筋板宽度=125，筋板厚度为=8，筋板长度=205。筋板的许用压应力按【2】式6-73或式6-74计算:当时，当时筋板细长比，且不大于250式中为惯性半径，对长方形截面的筋板取，筋板长度=205，故【2】式6-75筋板细长比=临界细长比，式中为筋板材料的许用应力，对低碳钢材料取140E为筋板材料弹性模量，E=2.1所以=157， 故筋板的许用压应力可按下式计算，其中式中为一个地脚螺栓承受的最大拉力，根据【2】式6-72计算，=为对应一个地脚螺栓的筋板个数，取=2，故=故筋板的压应力筋板的许用应力，满足要求。3.3.6盖板设计及校核环形盖板的最大应力按下式计算根据【2】式6-80无垫板时根据【2】式6-81有垫板时式中-垫板上地脚螺栓孔直径，；=36盖板上地脚螺栓直径，；=40筋板宽度，；=125筋板内侧间距，；=60垫板宽度，；=60盖板厚度，；=20垫板厚度，。=20一般环形盖板厚度不小于基础环厚度。无垫板时=123.0有垫板时=45.8盖板最大应力应等于或小于盖板材料的许用应力，即。对低碳钢盖板的许用应力=140，由计算结果可知=140，满足要求。3.3.7裙座与塔壳的对接焊缝截面2-2即裙座与塔壳对接焊缝截面，根据【2】式6-86此处的剪应力按下式校核：其中仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合式计入此项。式中-裙座顶截面内直径，=1500。-设计温度下焊接接头的许用应力，取两侧母材许用应力的小值，即=113=0.61.2113=81.36，满足要求。3.3.8接管计算由前面计算知，塔顶管线外径300，即进气口与排气口的公称直径为300，查化工设备机械基础课程设计指导书附表4-13，选择对应补强圈尺寸为外径为500，内径按补强圈坡口类型确定。厚度取84 其他零部件的选取计算4.1静电接地板装置中的介质在流动过程中会产生静电，静电放电时的火花如遇到易燃易爆的介质会引起火灾或爆炸。因此根据安全规范的规定，在装置的某些区域范围内的设备上必须装有静电接地板。对塔设备，静电接地板一般设置在地脚螺栓座的筋板上。此处选择焊在群座筒体上。材料为0Cr18Ni9,厚度为5mm。4.2塔顶吊柱根据【11】表11-28选用HG/T21639-1980-8的吊柱。基本尺寸如下：起吊质量G=500Kg,悬臂长度s=1200,L=3800，H=1100，=10812，R=900,e=250,l=100,质量=304Kg。5.翻译 5.1英文文献Quantitatively Measure and Assess Maldistribution在工业填料塔 in Industrial Packed TowersAbstract : Maldistribution of liquid in packed towers can impact dramatically mass- and传热效率的蒸馏，吸收和剥离heat-transfer efficiencies of distillation, absorption and stripping operations. 最新 Latest发展伽玛扫描电脑辅助断层扫描（CAT -），使人们有可能 development in gamma computer-aided tomography (CAT-Scan) has made it possible to获得1张图片交叉断面密度分布的内包装。 obtain an image of cross-sectional density distribution inside packed beds. 进一步的工作 Further work CAT的需要表征图像扫描规模的分配不公的。 is needed for characterizing the scale of misdistribution from the CAT-Scan images. 在 In该文件中的图像分析方法是制定了定量评估 this paper an image analysis approach is developed for quantitatively assessing the从分配不公的CAT扫描图像。 maldistribution from the CAT-Scan images. 概念的微观和宏观 Concept of the micro- and macro-分布差异进行了讨论。 distribution variances is discussed. 流量变化的各种系数，以评估是 Various coefficients for assessing flow variation are广义分布比较和规模提出了定量评估 compared and a generalized distribution scale is proposed for quantitatively assessing病床分配不公的包装。 the maldistribution in packed beds. 大规模应用推广的分布 Applications of the generalized distribution scale for工业填料塔列。 industrial packed towers are presented. 液体分布起着重要的填料塔的操作部分的效率。 Liquid distribution plays an important part in the efficient operation of a packed tower.可怜的分配减少了包装和推广有效的润湿液体输送。 Poor distribution reduces the effective wetted packing and promotes liquid channeling.从经营的角度来看，影响分布不均的实际是在下降 From an operating standpoint, the practical effects of maldistribution are declines in由于表现欠佳液体/蒸气接触效率。 performance due to poor liquid/vapor contact efficiency. 变化中的液体/蒸气 Variations in the liquid/vapor病床的比例在跨填充条减少质量和有效的界面面积 ratio in a cross-section of packed bed reduce the effective interfacial area for mass and传热，翻译到一个更高的板高度。 heat transfer, translating to a higher HETP. 在极端条件下，低升/ V比值 Under extreme conditions, low L/V ratios可能会导致局部组成捏，甚至可能局部或烧结焦化 may result in local composition pinches, possibly even localized coking or sintered化工填料床内的存款。 chemical deposits within the packed bed. 阿填料塔有一个合理的公差随机分布不均。 A packed column has a reasonable tolerance for random maldistribution. 随机 Random分布不均匀的特点是大规模流过小的变化在规模 maldistribution is characterized by small-scale variations in mass flows across the列区域。 column area. 一般来说，横向混合的填料床中液体流量可以 Generally, lateral mixing of the liquid traffic in the packed bed can随机流动和重新分配的制衡任何不良影响。 redistribute the random flows and counterbalance any ill effects. 然而，影响 However, the impact of大规模的，非随机分布不均更为严重。 large-scale, non-random maldistribution is much more severe. 在这种情况下，其金额 In this case, the amount of横向混合的发生是不够的重新分配更大的体积 lateral mixing that takes place is not sufficient to redistribute the much greater volume of粘连液体或蒸气，除非固定床额外部分的牺牲给 maldistributed liquid or vapor, unless extra portion of the packed bed is sacrificed for the再分配。 redistribution. installation, or要么妥协机械完整的分销商或包装。 compromised mechanical integrity to either the distributor or the packing. 共同 Common列的例子大的产业规模，包括设计或液体分布不均 examples of large-scale liquid maldistribution in industrial columns include design or制造上的缺陷（滴点布局及焊接缺陷），经销商平整度（倾斜 manufacture defects (drip point layout and welding faults), distributor levelness (tilted盘或槽），损坏或堵塞（弯曲盘和犯规包装），并处理 pans or troughs), damage or plugging (warped pans and fouled packing), and process骚乱（固体列结转到）。 disturbances (solids carryover into the column). 产业的经验表明， Industrys experience has shown that the水的测试和安装适当的检查后仍是最可靠的方法 water testing and proper inspections after installation are still the most dependable way to针对存在的问题和安装的设计（奥尔森，1999）pinpoint the problems in design and installation. 但是，只要 However, as soon as the列投入运作，在分配不公问题更难 column is put into operation, the maldistribution problems are much more difficult to诊断。 diagnose. 唯一可能获得内幕信息床从分布在座无虚席的非 The only possibility to get the distribution information inside a packed bed from non-微创技术是）使用高能量伽玛射线（鲍曼，1993年。 invasive techniques is the use of high-energy gamma rays. 格 扫描已被广泛应用于评估的总体布局和内部结构 scanning has been widely applied to evaluate the overall distribution and internals安置在一列。 placement in a column. 网格扫描是扫描四平等继承和弦， A grid scan is a succession of four equal-chord gamma scans,这是一个面向网格模式。 which are oriented in a grid pattern. 如果所有四个扫描看到一床，连包装 If all four scans are seeing a packing bed with even液体分布，然后扫描所有四个重叠或交叉线应该在上面对方。 liquid distribution, then all four scan lines should overlay or crisscross on top each other. 没有扫描的线条重合四是分配不公的迹象。 The lack of coincidence of the four scan lines is an indication of the maldistribution.然而良好的巧合并不意味着一个良好的分配，因为一环 Nevertheless good coincidence does not mean a good distribution, since an annular分配不公现象（例如在墙壁流）将显示一个良好的覆盖网 maldistribution (for instance the wall flow phenomena) will show an well-overlaid grid扫描图（图1）。 scan plot. 图1。吉尔德扫描线和分配特性的模式（环形，弦和不规则） Gird-Scan Lines and Maldistribution Patterns (Annular, Chordal and Irregular)最新发展的伽玛扫描电脑辅助断层扫描（CAT -）已向 Latest development in gamma computer-aided tomography (CAT-Scan) has made it可能获得1张图片交叉断面密度分布的内包装 possible to obtain an image of cross-sectional density distribution inside packed beds（徐，1999）。伽马的CAT -扫描工作由旋转伽马射线源和 The gamma CAT-Scan is performed by rotating a gamma source and a辐射探测器列外圆周和衡量一切密度 radiation detector outside the column circumference and measuring the density of all事项干扰探测器的扫描线之间的源泉和基础。 matter that interferes the scan lines between the source and detector. 一个多项式基 A polynomial-based算法已用于数据重建，已被证明是 algorithm has been used for the data reconstruction, which has been proven to be 充足的诊断宏观分配不公的产业规模列（徐等， adequate for diagnosi