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水煤气洗涤塔设计

摘要：本次进行的设计是水煤气洗涤塔，水煤气洗涤塔属于填料塔中的吸收塔。进行此次填料塔设计时需要包括以下主要内容：气体和液体的物性参数及工作参数，塔体的设计、塔设备的工艺设计（填料、封头、法兰、进出口接管、液体分布器、吊柱及裙座等等），基础环厚度的设计以及开孔补强等等。并对其要进行载荷的分析以及强度的校核，最后绘制图纸等。通过这次的设计，主要加深了对压力容器的认识，进而达到研究的目的及所期望的结果，同时加深了对国内外一些先进的制造技术和有关压力容器设计及工艺等方面的内容的认识和学习。通过查阅各种相关的文献资料，据此熟悉研究内容、合理的安排课题进度和容器设计路线。

关键词： 水煤气  压力容器   填料塔   强度校核  工艺设计 

内容简介：

毕业设计（论文）任务书 学 院： 机械工程学院 题 目 煤气洗涤塔 设计 论文 (设计 ) 内容及要求： 一 、 毕业设计（论文）原始依据 装置参数 ： 操作压力 常压 操作温度 140 C 入塔物料 半水煤气 水 塔高 塔径 4米 塔类型： 填料塔 环境 衡阳室外 二 、 毕业设计（论文）主要内容 设计图纸折合 0#图 3 张以上（其中手工绘 图不少于 1 张 1#图）。设计说明书 12000 字以上，并有 2000 3000 字的外文文献翻译和 300 字左右中英文摘要。 三 、 毕业设计（论文）基本要求 设计符合最新国家标准及行业标准。设计图样达到工程设计施工图水平。 四 、 毕业设计（论文）进度安排 献查阅 题报告 体设计 强度校核 图及编写说明书 备答辩 五 、 主要参考文献 化工设备设计全书（塔设备） 化工原理 化工工艺设计手册 制压力容器 指导老师： （签 名） 年 月 日 机械工程学院毕业设计 第 1 页 共 63 页 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 煤气的燃烧速度是汽油的 ，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 效率提高了 20 40%、功率提高 15%、燃耗降低 30%，尾气净化近欧 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。 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 、 化肥和原子能工机械工程学院毕业设计 第 2 页 共 63 页 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。 机械工程学院毕业设计 第 3 页 共 63 页 第一章 结构设计 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 示。 表 50金属鲍尔环的物性参数 : 机械工程学院毕业设计 第 4 页 共 63 页 图 鲍尔环 （ a）钢环； （ b）瓷环 填料层的分段：由设计说明书可知塔高为 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/散装填料分段高度推荐值如表 填料类型 拉西环 鲍尔环 矩鞍环 阶梯环 环矩鞍 h/D 10 5 8 8 15 5 15 m 4 6 6 6 6 故取每段填料层高度为 三段。 机械工程学院毕业设计 第 5 页 共 63 页 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4000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（ 结构形式如下 1 图 根据设计条件塔径为 4000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机械工程学院毕业设计 第 6 页 共 63 页 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。 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 4000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。 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： 机械工程学院毕业设计 第 7 页 共 63 页 图 柱 其尺寸如下表 表 L H R E L 重量 标准图号 2400 4550 1550 219 10 1000 300 120 471 杆的材料采用的为 20 号无缝 钢管，而其他材料采用的为 。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 ， 之间。 C）采用的焊接结构应按下图所示。采取的焊缝系数为： 机械工程学院毕业设计 第 8 页 共 63 页 图图 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 钩 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” （ 21516 它的形式如下： 机械工程学院毕业设计 第 9 页 共 63 页 图 人孔 通过查中华人民共和国标准 88此次设计中选用的是 其结构如下图： 图 接管法兰 具体尺寸如下表 表 械工程学院毕业设计 第 10 页 共 63 页 公 称 通 径 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 量 n 螺纹 00 10 170 18 4 8 50 65 225 18 8 0 00 60 810 26 24 0 - - 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 接管 液体的进口管选取的是型号为 液体的出塔接管选取的 是型号为 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（ 4700,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 4701取的是型号为 机械工程学院毕业设计 第 11 页 共 63 页 图 凹凸面密封 表 二章 塔结构设计 操作压力 压 操作温度 140 C 入塔物料： 半水煤气 水 塔高： 塔径： 4米 塔类型： 填料塔 环境： 衡阳室外 机械工程学院毕业设计 第 12 页 共 63 页 计压力 根据 0580制化工容器设计基础规定中的表 4设计的设备无安全泄放装置，计算压力 工作压力 以计算压力 ： 设计的塔设备内为气相空间，所以此时液柱静压力应当为： 此可知设计压力应当为：P=根据 20580制化工容器设计基础规定表 5计温度选取表要求可得：当塔工作温度 T15 C 的时候，设计温度 工作温度 T 上应当增加15 30 C，在这里我们选取 20 C，则可知设计温度为 160 C。 因为设计温度为 160 C，入塔物料为酸性气体，并且气体当中含有一定的所以应当要考虑氢的腐蚀。根据 制化工容器材料选用规定中的 定，当设计温度大于等于 200 C 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 160 C，因此不需要考虑氢的腐蚀作用。 设计的压力为 P=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 16 根据 制压力容器 求来计算液压试验的压力为： 机械工程学院毕业设计 第 13 页 共 63 页 公式中： 试验压力 设计压力 t 容器元件材料在设计温度下的许用应力 容器元件材料在试验温度下的许用应力 知 1660 t=170 已知试验温度下的材料许用应力 =170 所以液压试验的压力为 : =1=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 容器类别： 一类 设计压力 （ 计温度： 160 C 操作介质： 半水煤气 水 主要受压元件材质： 16 焊缝系数： 1 液压试验压力（ 2焊缝系数 根据过程设备设计可知： A,进行 100%的射线检测，因此去焊缝系数为： 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： 机械工程学院毕业设计 第 14 页 共 63 页 C 厚度附加量（ C=2 钢材厚度负偏差（ 腐蚀裕量（ 按设计参数取 圆筒的内直径 000 设计压力 （ 按设计参数取 P=c 计算压力 P 设计温度下圆筒或封头的最大允许工作压力， 圆筒的最大允许工作压力， d 圆筒或封头的设计厚度， 圆筒的计算厚度， mm e 所以 1 ；圆筒的有效厚度， mm n 圆筒的名义厚度， t 1660时的许用应力，由设计标准 t 可知为 170 塔体焊缝采用双面对接焊，进行局部无损检测， 腐蚀裕量，根据过程设备设计中的工艺条件取 4 ； 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： d 2+ + = 其中 2C 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， 2所以就取 2C =2 1C 为钢材负偏差，使用中若钢板厚度超过了 5（如 20R、 16 16）那么可取 1C =0，由此则可得：机械工程学院毕业设计 第 15 页 共 63 页 0221 。 又根据钢制压力容器（ 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：23 查钢材标准的规格，取圆筒的名义厚度为： n =10 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： d c 2 40 +2 ； 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：n =10 ； 第三章 填料塔载荷分析及强度的校核 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。 机械工程学院毕业设计 第 16 页 共 63 页 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： 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 m m m m m m m 塔设备的最大质量为： m a x 0 1 0 2 0 3 0 4 a e wm m m m m m m m 塔设备的最小质量为： m i n 0 1 0 2 0 3 0 40 . 2 m m m m m m 塔体总质量 01m ， 其中筒体质量 1m ：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： 那么根据设计要求可知筒体质量 3 737=16951 ； 封头质量 2m ：根据查的表可得 其壁厚为 10质量为： 75 ； 裙座的质量 3m ：根据查的表可知裙座的质量为： 2211 那么塔体的质量应为： m1+m2+6951+775 2+2211=20712 ； 塔段内件的质量为： )(02 根据公式：填料质量体积堆积密度 4（ 4） 2 395 52096 ； 塔段内其他内件的质量约为 50； 所以塔段内件的质量应为： 52096+50 52146； 保温层质量 )(03 根据要求可知（ 50，第 所以其质量应为： ； 平台、扶梯的质量 04m （ ： 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 5125 ） 所以平台、扶梯的质量应为： 5 500+4 125 3000 ； 操作时塔内物料质量 05m （ ： 机械工程学院毕业设计 第 17 页 共 63 页 料液 2%容积 18 1000 2696 ； 人孔、接管、法兰等附件的质量应为： )(按经验取附件的质量为： 1m 充液质量 )(, 42 18 103 226080 根据上述的计算那么有： 塔设备的操作质量ea 05040302010 20712+52416+696+3000+5178 ； 塔设备的最小质量ea 04030201m i n 0712+52416+000+5178 = 塔设备的最大质量 04030201m a x=20712+52416+696+226080+3000+5178 =310082 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： 0123中 01据设计手册取综合影响系数为： C 机械工程学院毕业设计 第 18 页 共 63 页 根据过程设备设计第二版的表 7场地土所对应的的特性周期为 据过程设备设计第二版的表 7设防烈度为 7 时地震影响系数最大值为 = 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 0 0 1 m a x ,即 m TT g = m a 设等直径、等壁厚塔设备的任意截面 距地面的高度为 h ，那么基本振型在截面 处产生的地震弯矩应当为： )41410( 上式中 m 为塔单位高度上的质量，即 0 当塔设备 H/D 15 或 H 20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 k 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： M 式来计算 由此可得： 操作质量为：0 8 5 0 8 8 当量质量为：0 . 7 5 0 . 7 5 8 5 0 8 8 . 9 6 3 8 1 6 . 6 7 5m k g ； 垂直地震的影响系数为 ： 0 5 a x v； 底截面处垂直的地震力： 00 m a x 0 . 0 5 2 6 3 8 1 6 . 6 7 5 9 . 8 3 2 5 2 0 . 9 8v v e qF m g N 底截面处地震弯矩为： 10000 机械工程学院毕业设计 第 19 页 共 63 页 3516 23300 4 108 那么在截面 1 3 . 5 2 . 5 3 . 52 . 58 0 . 0 3 6 8 5 0 8 8 . 9 9 . 8 11 . 2 5 1 0 2 3 3 0 0 1 4 2 3 3 0 0 3 0 0 0 4 3 0 0 01 7 5 2 3 3 0 0 108 截面 2 3 . 5 2 . 5 3 . 52 . 58 0 . 0 3 6 8 5 0 8 8 . 9 9 . 8 11 . 2 5 1 0 2 3 3 0 0 1 4 2 3 3 0 0 1 3 0 0 0 4 1 3 0 0 01 7 5 2 3 3 0 0 = 71 . 0 8 1 0 N m m 截面 3 3 . 5 2 . 5 3 . 52 . 58 0 . 0 3 6 8 5 0 8 8 . 9 9 . 8 11 . 2 5 1 0 2 3 3 0 0 1 4 2 3 3 0 0 2 0 0 0 0 4 2 0 0 0 01 7 5 2 3 3 0 0 =107 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第一振型计算式可知其基本的震型自振周期 )(1 ： 1 式中 334 0 . 0 0 888 341 4 9 0 ( )m 机械工程学院毕业设计 第 20 页 共 63 页 其中 m 为塔单位高度上的质量即 0 ， 所以有： 01 31 1 36 1 9 4 4 . 9 2 3 . 31 . 7 9 2 . 1 1 0 1 4 9 . 3 1 0 = )(75.3 s 而允许振动的周期为： 8 5 0 8 8 . 9 2 3 . 30 . 8 0 . 8 6 . 1 532620mH 式中 Q 总剪力 Q 350 4 32620 N； 显然可得实际振动的周期未超过最大允许振动的周期。 荷及风力矩的计算 各计算段的外径均为 2 4 0 0 0 2 1 0 4 0 2 0m m ； 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： 50 由化学工艺手册取第 i 段保温层的厚度为： 0； 根据设计要求取得在管线上的保温层厚度为： 0； 选用的扶梯为笼式，它的当量宽度应为： 3K =400 取各段平台构件所形成的的投影面积为： A =9 510 2 所以操作平台当量宽度应改为： 042， 塔设备迎风面的所要考虑的有效直径 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 为： 22 043 而当塔顶管线和所选用的笼式扶梯布置成为 90时 , 应选取下列两式之间 较大的那个值。 432 机械工程学院毕业设计 第 21 页 共 63 页 22 04 根据查过程设备设计第二版的表 7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： 321 体型系数 1K 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： 1K =风振系数 2K ：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 0 时，取 当塔高 H ， 2K 则按下式计 算 i 12 根据此次设计的条件，塔高 H 为 于 20m，通过计算得： 面已求出塔设备自振周期 1T ， 根据化工设备机械基础的表 17衡阳地区基本风压值为 350 2/210350 假设土地粗糙度类别为 由 210查过程设备设计第二版的表 7脉动增大系数为： = 查过程设备设计第二版表 7动影响系数 i 分别为 1 =2 =3 =4 =查过程设备设计 第二版表 7据表结合 H 式子可得第 i 段振型系数 为： 321 为了简化计算且偏安全计算，则各段都均取 020+2 50+400+450=5070 ； 根据 21 610 计算各段的水平风力： 机械工程学院毕业设计 第 22 页 共 63 页 1P = 1110211 101000 5070= 2P 20221 105000 5070=P30231 108000 5070= 4P 4440241 109000 5070= 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： )2()2()2(2 2121211 所以塔设备底截面（ 0风弯矩应为： )2()2()2(2 4321432132121100 =1000+250001000 ） + （280 0050 0010 00 ） +29000800050001000 ） =108 1 )2()2(2 43243232211 =（25000） +（280005000） +（29 0 008 0 005 0 00 ） =108 2 )2(2 4343322 =28000） +290008000 ） =108 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：机械工程学院毕业设计 第 23 页 共 63 页 0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 M 和 者中的较大值。通过计算可得其计算值如下表 2 表 最大弯矩选择 计算内容 计算公式及数据 0 0截面 1 1 截面 2 2 截面 M 108 108 108 810 810 810 最 大弯矩 108 108 108 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。 根据前面的计算有： 01 2 据过程设备设计中的设计要求有： 机械工程学院毕业设计 第 24 页 共 63 页 塔底危险截面（ 1项轴向应力的计算如下： 1 00048 2 110 5 3 1 7 1 1 4 4 0 0 0 8 3 824 1 00 5 4 0 0 0 8 ； 塔底 1 2 +3 上式中 筒体轴向压缩稳定的许用应力 ； B K 载荷组合系数， K 1.2 设计混充下材料的弹性模量 则有： 200105 =105 6/600=104 由于 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 2 + 3 ； 因此满足强度及稳定性的要求。 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： 机械工程学院毕业设计 第 26 页 共 63 页 11211m a 824 . 3 4 1 0 5 3 1 7 1 . 6 9 . 80 . 7 8 5 4 0 0 0 1 0 3 . 1 4 4 0 0 0 1 0 P 由于 101 2 0 07 8 0 3 8 5 28 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 0985脚螺栓个数 4，取地脚螺栓的腐蚀裕量为： 2 机械工程学院毕业设计 第 29 页 共 63 页 由设计公式可计算地脚螺栓螺纹小径为： 故所取的 24 第 4 章 开孔和开孔补强设计 根据 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 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： 机械工程学院毕业设计 第 30 页 共 63 页 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 540b 、 b) 壳体名义厚度n 38 c)补强圈的厚度n （ 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。 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机械工程学院毕业设计 第 31 页 共 63 页 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 1和 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 在设计压力不大于 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 25 32 38 45 48 57 65 76 89 最小厚度 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机械工程学院毕业设计 第 32 页 共 63 页 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 圆筒上开孔的限制，当塔 的内径 500时，那么所开的孔的最大直径为：1，并且有： 20 ；当塔的内径 500时，那么就有所开孔的最大直径就为：1，且有： 000 。 在凸形封头上或者是球壳上能开的孔的最大直径为：1。 在锥壳（或者锥形封头）上所开孔的最大 直径为1，式中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 d + f12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 取 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， 2； 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 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