毕业设计说明书(水煤气洗涤塔的结构及强度设计).docx

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）水煤气洗涤塔结构及强度设计摘要塔设备是石油炼制，石油化工、天然气化工等生产工程不可或缺的重要设备。塔设备的性能对于整个装置的产品产量、质量、生产能力和消耗定额，以及三废处理和环境保护等各个方面，都有重大影响。因此，塔设备的设计和研究，受到化工、炼油等行业的极大重视。洗涤塔是一种新型的气体净化处理设备。它是在可浮动填料层气体净化器的基础上改进而产生的，广泛应用于工业废气净化、除尘等方面的前处理，净化效果很好。对煤气化工艺来说，煤气洗涤不可避免，无论什么煤气化技术都用到这一单元操作。由于其工作原理类似洗涤过程，故名洗涤塔。洗涤塔与精馏塔类似。本设备用于煤气化工段，用于净化和冷却粗煤气。本文主要介绍了洗涤塔的设计，着重叙述了塔设备结构的确定、材料的选择、强度的计算、地震载荷以及卡曼涡街的计算等。该洗涤塔分为气液接触区、洗涤区和气固，气液分离区。粗煤气从洗涤塔中部进入洗涤塔，与激冷水接触混合，对粗煤气进行洗涤和净化。煤气继续向上进入泡罩塔板，用冷凝液进行再次洗涤，气体进一步净化。经过塔板洗涤后的煤气上升至旋流板除沫器，分离灰分和液态水。关键词: 结构设计、强度校核、卡门涡街Water gas washing tower structure and the strength designAbstractThe tower equipment is an important oil refining, petrochemical, gas and chemical production engineering equipment. Tower equipment performance for the entire device product yield, quality, production capacity and consumption quotas, as well as all aspects of waste treatment and environmental protection have a significant impact. Therefore, the design of the tower equipment and research, by the great weight of the chemical, oil refining and other industriesThe scrubber is a new type of gas purification equipment. Floating filler layer gas purifier on the basis of improvement produced by widely used in the pre-treatment of industrial waste gas purification, dust and other aspects of the purification works well. For coal gasification process, gas washing is inevitable, no matter what the gasification technology used in this unit operation. Due to its working principle is similar to the washing process, hence the name scrubber. Scrubber similar to the distillation column. The equipment used for gas chemical industry segment for the purification and cooling of the crude gas. In this paper, the design of the scrubber, focusing on narrative structure of the tower equipment, material selection, calculation of the intensity, seismic load and Kaman Vortex calculationThe scrubber is divided into the gas-liquid contact area, washing area and the gas-solid, gas-liquid separation zone. The crude gas from the middle of the scrubber into the scrubber, the contact with the shock of cold water mixing, washing and purifying the crude gas. Gas to continue upward into the blister tray, again washed with condensate to further purify the gas. After the plate after washing the gas to rise to the cyclone demister separation of ash and liquid water.Keywords: Structural design, Strength check, Kaman Vortex57目 录前 言1第一章 结构选型及材料选择31.1 结构选型31.1.1 塔体31.1.2 封头31.1.3 塔盘31.1.4 除沫器31.1.5 裙座41.1.6 液位连通管41.1.7 管件、人孔、法兰等部件41.1.8 吊耳71.1.9 吊住71.1.10操作平台及扶梯71.2.1筒体材料的选择81.2.2封头材料的选择81.2.3塔盘材料的选择81.2.4裙座材料的选择81.2.5其它部件材料的选择9第二章 塔盘的流体力学计算102.1 泡罩的结构参数102.2塔板上的动力参数112.3最大允许气相负荷和齿缝开度122.4塔板压降13第三章 筒体与封头的厚度计算及压力试验143.1筒体厚度的计算143.2封头厚度的计算153.3水压试验校核163.3.1 筒体水压校核163.3.2封头水压校核16第四章 塔体的机械设计174.1塔体承受的各种载荷的计算174.1.1 质量载荷的计算174.1.2 自振周期的计算204.1.3 地震载荷及地震弯矩的计算：204.1.4 风载荷及风弯矩的计算244.1.5 卡门涡街引起的弯矩计算264.1.6 偏心弯矩的计算274.1.7 各截面最大弯矩的计算274.2 圆筒应力校核28第五章 裙座的强度设计及稳定校核305.1主要构成305.2座体设计305.3基础环设计325.4螺栓座的设计345.5地脚螺栓的计算345.6筋板设计355.7盖板设计365.8裙座与塔体的链接36第六章 开孔补强386.1人孔M2、M3 （DN=500)开口的补强386.2人孔M1（DN=500）开口的补强406.3 N1（DN=300）开口的补强426.4 N2（DN=80）的补强436.5 N3/N8（DN=200）的补强456.6 N4（DN=100）的补强466.7 N5（DN=600）的补强486.8 N6（DN=300）的补强506.9 N7(DN=300)的补强516.10 T（测温口）的补强53结束语55参考文献56致 谢57前 言塔设备能够为气、液或液、液两相进行充分接触提供适宜的条件，即充分的接触时间、分离空间和传质传热的面积，从而达到相际间质量和热 量交换的目的，实现工艺所要求的生产过程，生产出合格的产品。所以塔设备的性能对整个装置的产品产量、质量、生产能力和消耗定额，以及三废处理和环境保护等方面部有着重大的影响。塔设备的投资费用及钢材耗量仅次于换热设备。据统计，在化工和石油化工生产装置中，塔设备的投资费用占全部工艺设备总投资的25.39，在炼油和煤化生产装置中占34.85；其所消耗的钢材重量在各类工艺设备中所占比例也是比较高的，如年产250万吨常减压蒸馏装置中，塔设备耗用钢材重量占45.5，年产120万吨催化裂化装置中占48.9，年产30万吨乙烯装置中占2528.3。可见塔设备是炼油、化工生产中最重要的工艺设备之一，它的设计、研究、使用对化工、炼油等工艺的发展起着重大的作用。本洗涤塔采用了塔设备中的板式塔。洗涤塔是一种新型的气体净化处理设备。它是在可浮动填料层气体净化器的基础上改进而产生的，广泛应用于工业废气净化、除除尘等方面的前处理，净化效果很好。对煤气化工艺来说，煤气洗涤不可避免，无论什么煤气化技术都用到这一单元操作。由于其工作原理类似洗涤过程，故名洗涤塔。洗涤塔与精馏塔类似，由塔体，塔板，等组成。由于洗涤塔是进行粗分离的设备，所以塔板数量一般较少，通常不会超过十级。 洗涤塔适用于含有少量粉尘的混合气体分离，各组分不会发生反应，且产物容易液化，粉尘等杂质（也可以称之为高沸物）不易液化或凝固。当混合气从洗涤塔中部通入洗涤塔，由于塔板间存在产物组分液体，产物组分气体液化的同时蒸发部分，而杂质由于不能被液化或凝固，当通过有液体存在的塔板时将会被产物组分液体固定下来，产生洗涤作用，洗涤塔就是根据这一原理设计和制造的。本设备用于气化工段。根据其工艺作用，该洗涤塔由下段的气液接触区、中段的洗涤区和上端的气液分离区组成。粗煤气进入洗涤塔进行洗涤，洗涤完毕后由塔体上端煤气出口管道排出。综合考虑了强度，刚度以及经济性，对该洗涤塔做出了如下设计。由于作者水平有限，有不足之处望读者提出宝贵意见，在此深表感谢。 车凯 2012/6/10第一章 结构选型及材料选择1.1 结构选型1.1.1 塔体 由于本设备塔径较大，达到4100mm，属于大塔径设备，且气液处理量较大。所以本设备选用板式塔。1.1.2 封头 本设备的最高工作压力达到6.49MPa所以本设备封头采用半球型封头。1.1.3 塔盘 本设备采用分块式溢流塔盘（圆泡罩塔盘），它由塔板、降液管、受液槽、溢流堰和气液解除原件组成。 1.1.4 除沫器 在塔内操作气速较大时，会出现塔顶雾沫夹带，这不但造成物料的损失，也使塔的效率降低，同时还可能造成污染。为了避免造成这种状况，需在塔顶设置除沫装置，从而减少液体的夹带损失。本设备采用旋流板除沫器，它由固定的叶片组成，如风车状，夹带液滴的气体通过叶片时产生离心现象，在离心力的作用下将液滴甩到塔壁上，从而实现气液分离，除沫效率高达95%以上。1.1.5 裙座 本设备采用圆筒式裙式支座1.1.6 液位连通管 液位连通管是用来观察设备内部液位变化的一种装置，为设备操作提供了一些依据。一般用于两种目的：意识通过测量液位确定容器中物料的高度，以保证生产过程中各个环节所需的物料。二是通过测量液面确定连续生产是否正常，以便控制过程的进行。1.1.7 管件、人孔、法兰等部件 接管、人孔、法兰等部件尺寸见表1-11-4表1-1 接管表 （HG 20592-1997、 GB/T12459）符号名称公称直 径/mm外径/mm壁厚/mm内孔截面积/cm2管长/mm质量/kg密 封形 式T测温口202532.841500.262RFN1煤气出 口3003258749.9125015.63RFN2放空口8089451.532001.68RFN4氮气入 口100108478.542002.05RFN7黑水出 口300d1s1d2s2RH2RF32410415101000200RFN8灰水入 口200d1s1d2s2RH2RF21962738650 200RFN3洗涤液入口200d1s1d2s2abcH2RF219627382521095620090弯头坡口处外径/mm中心至端面/mmRFN5水煤气入口600630914N6塔底黑水出 口300325457RF 表1-2 人孔表 垂直吊盖不锈钢人孔（突面RF） (HG21517-2005)公称压力PN/ MPaM公称直径DN/mmdw sDD1b0bb11.050053010715650363434b2ABH1H2H3螺栓数螺柱数36410300200116528M2495M24125表1-3 法兰表 突面对焊钢制管法兰，PN=11.0MPa（GB/T9115.1-2000）公称直径mm钢管外径A1连接尺寸法兰及盖厚度C法兰高度H质量法兰外径D螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径L螺栓孔数量螺纹Th法兰法兰盖kg202512082.5184M1620522.001.928089230180268M2432789.109.37100108265210308M27369013.914.02002194303603612M275213051.054.33003255855004216M3368170119.4131.66006109408385124M48102170203250表1-4 密封面尺寸公称直径DN/mmfffWXYZ20243365051358024310612012110510024.53.512914915012820024.53.523925926023830024.53.534336336434230024.53.53433633643426002546496756766481.1.8 吊耳 塔设备的吊耳一般仅在设备吊装时使用一次，因此吊耳的安全可靠性应放在首位。侧壁板式吊耳（SP型吊耳）适用于DN1000mm的重型设备吊装。因此本设备采用SP型吊耳1.1.9 吊住安装在室外，无框架的整体塔设备，为了安装和拆卸内件，往往在塔顶设置吊住。吊住尺寸如（表1-5）表1-5 本设备吊柱尺寸SLH Rel1质量/kg2600485013502191010003001206911.1.10操作平台及扶梯 操作平台应设置在人孔，塔顶吊住等经常需要检修和操作的地方。操作平台的宽度应根据检修需要而定，一般为0.8-1.2m。平台内边缘与塔壁应留有间隙，以便进行设备的保温，涂漆的工作。本设备采用半圆形操作平台，为了检修人员的安全，操作平台设有栏杆，栏杆选用DN=25mm的钢管，高度1.2m。 本设备采用笼式扶梯。 1.2.1筒体材料的选择 筒体材料如（表1-6）表1-6 筒体材料钢号钢板标准使用状态许用压力（250）13MnNiMoRGB/T713-正火+回火190MPa1.2.2封头材料的选择 本设备封头材料的选用与筒体相同。1.2.3塔盘材料的选择 塔盘材料如（表1-7）表1-7 塔盘材料钢号热处理状态屈服强度0.2/MPa抗拉强度b/MPa伸长率s/%0Cr18Ni9（304）固溶20552040 1.2.4裙座材料的选择裙座材料如（表1-8）表1-8 裙座材料钢号钢板标准使用状态厚度/mmb/MPas/MPa许用应力/MPa(250)16MnDRGB3531正火1636470295134 1.2.5其它部件材料的选择 其他部件的材料视具体情况而定。第二章 塔盘的流体力学计算本设备采用泡罩塔盘，选用标准圆泡罩（JB1212-1999）。2.1 泡罩的结构参数 泡罩参数如（表2-1） 表2-1 泡罩参数与尺寸（mm）名称材料类（0Cr18Ni9）公称直径Dn150泡罩外径D1壁厚S11581.5泡罩顶部外径D3152升气管外径D2壁厚S21084总高度H1107升气管高度H264泡帽高度H373泡帽顶端至齿缝高度H4-支架至泡帽底端高度H545齿缝高度h35齿缝宽度b1R4/13.5齿缝数目n28齿缝节距f17.7升气管孔径d1106升气管净面积F1，cm273.05回转面积F2，cm278.90环形面积F3，cm285.10齿缝总面积F4，cm2102.5F2/F11.08F3/F111.17泡帽质量，kg1.40图1-1(圆泡罩) 2：泡罩底隙，我国泡罩标准中，选取泡罩底细为10mm。 3：泡罩排列，选取泡罩220个，分10排排列。2.2塔板上的动力参数 1：溢流堰高度 hw=hT+hr+h+hss （式2-1） hT泡罩的底隙=10mmhss静液封高度=20mmh-缝高度=35mmhr=10mmhw=75mm 2：静液封和动液封(1) 静液封取hss=20mm(2) 动液封hdshds=hss+how+2 （式2-2）=46mm式中：how-堰上清液层高度 -塔板上液面梯度2.3最大允许气相负荷和齿缝开度 1：最大允许气相负荷Vm 取矩形齿缝： Vm=1.683F4h(L-G)G （式2-3） =1.683102.510-435(799.4-31.62)31.62 =110.6m3/s 2：齿缝开度hs 对于矩形齿缝： Vs=1.683mF4hhs32L-GG （式2-4） 286645=1.683220102.510-435hs325 hs=10mm2.4塔板压降 hp=hc+hs+hl(m液柱) （式2-5） 式中：hc气体通过升气管，回转通道和环隙的局部阻力，m液柱; hs-齿缝开度,m; hl-气体通过动液封的液层阻力，m液柱。 1泡罩的局部阻力hchc=kcGL(VSmF1)2 （式2-6） =0.301.62799.4(286645360022073.0510-4)2=29mm (DN=150D的泡罩，kc=0.30) 2 液层阻力hl hl=hds （式2-7） 查表得充气系数=0.65 hl=0.6546=30mm hp=29+30+10=69mm（m液柱）第三章 筒体与封头的厚度计算及压力试验3.1筒体厚度的计算 基本参数：工作压力：正常：6.25MPa 最高：6.49MPa 工作温度：242245 材料许用应力t=190MPa 最大工作压力pw=6.49MPa 开设安全阀，安全阀开启压力pk=pw+（0.1050.11）=6.6MPa 取设计压力P=1.1pw=7.14MPa 计算压力pc=P=7.14MPa 取焊接接头系数=1.00（1） 计算厚度=pcDi2t-pc= 7.1441002190-7.14=79.7mm （式3-1）（2） 设计厚度d=+C2(取C2=2mm) （式3-2）d=79.7+2=81.7m （3） 名义厚度n=d+C1（取C1=0mm） （式3-3） n=81.7mm圆整至82mm（4） 有效厚度 e=n-C1-C2=80mm （式3-4） 圆筒的最大允许工作压力: pw=2eDi+ et=28019014100+80=7.2MPa (满足设计要求) （式3-5）=minbnb，sns，stns=190MPa3.2封头厚度的计算 取焊接接头系数=1.00，材料许用压力t=190MPa（1） 计算厚度=pcDi4t-pc=7.1441004190-7,14=38.89mm （式3-6）（2） 设计厚度d=+C2(取C2=2mm) （式3-7）d=38.9+2=40.9mm（3） 名义厚度n=d+C1（取C1=0mm） （式3-8） n=40.9mm圆整至41mm（4）有效厚度 e=n-C1-C2=39mm （式3-9） pc=7.14MPa0.6t=114MPa（满足弹性要求） 计算应力t=pc（Di+e）4e=189MPa190MPa （符合要求） （式3-10） 封头允许最大工作压力pw：pw=4et（Di+e）=43919014100+39=7.1MPa （符合要求） （式3-11）3.3水压试验校核3.3.1 筒体水压校核PT=1.25Pt=8.925MPa (式3-12）T=pTDi+e2e=8.9254100+80280=233Mpa0.9s=342MPa （式3-13） (符合设计要求)3.3.2封头水压校核 PT=1.25Pt=8.925MPaT=pT(Di+e)2e=8.925(4100+80)280=233Mpa0.9s=342MPa (符合设计要求)第四章 塔体的机械设计4.1塔体承受的各种载荷的计算4.1.1 质量载荷的计算 （1）塔设备的操作质量： m0=m01+m02+m03+m04+m05+ma+me(kg) （式4-1（2）塔设备液压试验时的质量（最大质量） mmax=m01+m02+m03+m04+mw+ma+me（kg） （式4-2） （3）设备吊装时的质量（最小质量） mmin=m01+0.2m02+m03+m04+ma+me（kg） （式4-3） 式中 m01：塔设备壳体（包括裙座）质量，kg m02：塔设备内构件的质量，kg m03：塔设备保温层的质量，kg m04：平台，扶梯质量，kg m05：操作时塔内物料质量，kg ma：人孔、法兰、接管等附件质量，kg mw：液压试验时，塔设备内充液质量，kg me：偏心质量，kg筒体质量：筒体长度10540mm 1m高筒体质量：mx mx=24.6610-3（Di+p）p =24.6610-3418080 = 8246.3kg单个封头质量：my my=12（4.1393-4.1003）7.98103 =4361kg裙座质量：mz 座体质量mz1=44.1402-4.100257.85103 =10155kg附件质量mz2=3874kg mz=mz1+mz2=14029kg m01=8246.310.54+43612+14029=103538kg m02=15013.24=7920kg m03=44.282-4.18214.64120=1167kg （本设备采用复合碳酸铝棉做保温材料，密度=120kg/m3,厚度=100mm） m04=5728kg m05=V=804186=149544kg ma=0.25m01=25884kg mw=水V=1000186=186000kg me=691kg 塔设备的操作质量： m0=m01+m02+m03+m04+m05+ma+me =103538+7920+1167+5728+149544+25884+691 =294472kg 塔设备液压试验时的质量（最大质量） mmax=m01+m02+m03+m04+mw+ma+me =103538+7920+1167+5728+186000+25884+691 =328529kg 设备吊装时的质量（最小质量） mmin=m01+0.2m02+m03+m04+ma+me =103538+0.27920+1167+25884+691 =132864kg 将全塔沿高分为5段，各段质量如（表4-1）：表4-1 塔体各段质量 (kg)段号12345m01+ma822216645427714860115433m020007920910m030163363420384m04479111714561682994m05014472482405586922512mw018000600006948828000m08701323979283011449240233mmax87013592510459012811145721mmin8701179254459052287169934.1.2 自振周期的计算 因为本塔为等直径、等厚度塔设备 所以本塔基本自振周期：T1=90.33Hm0HEeDi310-3 =90.3317936294472179361.94105804100310-3 =0.1s （式4-4）4.1.3 地震载荷及地震弯矩的计算： 地震烈度为8度，设计基本加速度为0.30g。 amax=0.24.二类场土地。设计地震分组为第一组，特 征周期Tg=0.35。 取一阶振型阻尼比i=0.01=0.9+0.05-i0.5+i=0.973 （式4-5） 1=0.02+（0.05-i）8=0.025 （式4-6）2=1+0.05-i0.06+1.7i=1.519 （式4-7） 水平地震力：F1k=11kmkg （式4-8） 垂直地震力：Fv0-0=avmaxmeqg（avmax=0.65 amax， meq=0.75m0） （式4-9）表4-2 各段几种质量对该载荷面所引起的地震力及地震弯矩塔段号12345mikg8701323979283011449240233himm725325072791219216380hi1.5（106）0.01950.1850.6211.3462.096mihi1.5（109）0.6785.99357.647154.10682.879mihi3（1014）0.033111.12358.9312074.9131767.731ABA=i=15mihi1.5=301.303109B=i=15mihi3=4212.7281014 AB=7.15210-7 1k=hk1.5AB0.01390.1300.4440.9631.4990.97321.51911=TgT2 amax=1.234F1kN1491519225081331333345743516mihi（106）6.308105.290675.7091395.886659.016avmaxavmax=0.65amax=0.650.24=0.156 meq/kg meq=0.75m0=220854 Fv0-0/NFv0-0=avmaxmeqg=337641FviN749125078027116582478287Fvi-i/N325639313132232861 图4-1 塔的地震载荷计算简图因为HDi=4.3715且H20m，故不考虑高振型影响。（1）0-0截面处地震弯矩： ME0-0=k=15F1kH1k=3.211010Nmm （式4-10）(2)1-1截面处地震弯矩： ME1-1=k=25F1khk-1500=2.821010Nmm （式4-11）(3)2-2截面出地震弯矩：ME2-2=k=35F1khk-5000=1.921010Nmm （式4-124.1.4 风载荷及风弯矩的计算 图4-2 塔的风载荷计算简图 取q0=500Nm2（十米高出基本风压值） K1=0.7（体型系数） fi=1.005m、1.0010m、1.14（15m） K2i=1.7（塔高H20，K2i=1.7） 本塔采用笼式扶梯与塔顶管线成90. Dei=Doi+2si+K4+d02ps （式4-13） d0=325mm Doi=4260mm si=100mm ps=50mm K4=1000mm表4-3 其它计算结果塔段号12345长度/m01.51.5559.5599.55914.82514.82517.936q0/(Nm2)500fi(B类)1.001.001.001.001.10li/mm7253500455952663111Dei/mm57655765588558855885Pi/N248612005159631843910893因该塔HDi=4.3715且H3.5106，固受到卡门涡街的影响升力的计算（1） 升力：由于涡旋交替产生及脱落而在沿风向的垂直方向产生的推力称升力 F1=CLv2A2式中：F1-升力，N - 空气密度，kg/m3 v - 风速，m/s A - 沿风向的投影面积，等于塔径乘以塔高，m2 CL- 升力系数F1=CLv2A2=0.21.2930.424.1133552=6528N （式4-18）（2）塔设备风诱导的激振频率Fv=StvD=0.2730.44.464=1.83Hz （式4-19）（3）临界风速 vcn=5fcnD=159.43m/s （式4-20） Cv1vcn，无法达到临界风速，不会产生共振。4.1.6 偏心弯矩的计算 Me=megle 式中：me-偏心质量，kg g -重力加速度，9.8m/s2 le-偏心质量到塔体中心线的距离，mm Me=megle=6919.82400=1.62107Nmm4.1.7 各截面最大弯矩的计算 （1）塔底截面： Mmax0-0=Mw0-0 ME0-0+0.25Mw0-0 （式4-21） =5.14108Nmm3.221010Nmm 所以Mmax0-0=3.221010Nmm（2）1-1截面： Mmax1-1=Mw1-1 ME1-1+0.25Mw1-1 （式4-22） =4.72108Nmm2.831010Nmm 所以Mmax1-1=2.8