化工机械基础填料塔设计

1、前 言气体吸收时气体混合物中一种或多种组分（溶质）溶解于液体（吸收剂）的一种分离操作。 由于填料塔具有结构简单、阻力小、加工容易，可用耐腐蚀材料制作，吸收效果好，装置灵活等优点，所以在化工、环保等工业吸收操作中应用较普遍。由于近年来性能优良的新型散装和规整填料的开发，塔内件结构和设备的改进，促使填料塔的应用更加广泛。填料塔的结构如图所示，主要包括塔体、塔填料和塔内件三大部分，本设计主要是通过给定的一些塔的数据，进一步计算塔的结构尺寸，以及承受的各项指标等等，并通过计算和选择，选出合适的塔的辅助构件，设计出一个合适的填料塔。 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

2、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

3、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 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

4、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。 第1章 填料塔的设计数据塔体内径=3400mm，塔高近似取H=30000mm。计算压力=1.1MPa，设计温度t=200设置地区:基本风压值=600N/，地震设防烈度为 8度，场地土类：I类，设

5、计地震分组：第二组，设计基本 地震加速度为0.2g。塔内设有四个填料层，并选取合适的填料，介 质密度为=700kg/,液体的质量流量=10000 Kg/h沿塔每个填料层开设一个人孔，人孔数为4 个，相应在人孔处安装半圆形平台4个，平台宽度为 B=900mm，高度为1000mm。塔外保温层厚度为=100mm，保温材料密度 =300kg/。塔体与群座间悬挂一台再沸器，其操作质量为 =4000kg，偏心距e=2000mm。塔体与封头材料选用16MnR，其=170 MPa， =170 MPa,=345 MPa,E=1.9 MPa。群座材料选用Q238-B。塔体与群座对接焊接，塔体焊接接头系数 。塔体与

6、封头厚度附加量C=2mm。第2章 按计算压力计算塔体和封头厚度2.1塔体厚度计算 (mm) 考虑厚度附加量C=2mm，经圆整，取。 2.2 封头厚度计算 考虑厚度附加量C=2mm，经圆整，取，但由于DN3400mm的椭圆形封头厚度没有14mm，最低只有20mm，所以选择20mm。第3章 塔设备质量载荷 3.1 筒体圆筒、封头、群座质量 圆筒质量： （kg） 封头质量： （kg） 群座质量： （kg） (kg) 注：（1）塔体圆筒总高度为： （2）查得DN3400mm，厚度14mm的圆筒质量为1177kg/m； （3）查得DN3400mm，厚度20mm的椭圆形封头质量为2080kg/m（封头曲面

7、深度850mm，直边高度50mm）； （4）群座高度3060mm，（厚度按16mm计）。 3.2 塔段内件质量 填料封层高度5.0m由设计温度可知，填料选择金属半环填料 =（kg）（查得金属半环填料密度为380kg/）3.3 保温层质量= = +(kg) 其中，为封头保温层质量，kg 3.4 平台、扶梯质量 =n =0.785 =4829(kg) 注：手册查得平台质量：kg/；笼式扶梯质量kg/m；笼式扶梯总高：=29m；平台数量：n=4。3.5 操作时物料质量 =0.785=41398(kg) 注：物料密度=700kg/；封头容积；填料层高度5.5m；填料塔板层数N=4；塔板上液层高度=0.

8、1m。 3.6 附件质量 按经验取附件质量为 =0.25=10897(kg) 3.7 充水质量 (kg) 3.8 质量汇总全塔操作质量/kg全塔最小质量/kg水压试验时最大质量/kg第4章 风载荷与风弯矩计算4.1 以23段为例计算风载荷 = （N） 式中 -体型系数，对圆筒形容器，=0.7 -10m高处基本风压值， =600N/-风压高度变化系数，查表得：=1.00 -计算段长度，=7000mm -脉动影响系数，查得=0.72 -塔的基本自振周期，对等直径、等厚度圆截面塔：=90.33H=90.33=2.01(s) -脉动增大系数，根据自振周期，查得：=2.6 -振型系数，查得=0.16 -

9、风振系数=1+=1+=1.41 -塔有效直径。设笼式扶梯与塔顶管线成，取以下a，b式中较大者 a. = 图 2 b. = =400mm， a. = b. = 取=4489mm(N)4.2各计算段风载荷汇总计算段平台数110006000.70.720.0062.61.0170.6410040321102220006000.70.720.022.61.0520.723004032256537000600 0.70.720.162.61.4161.001012574489186874100006000.70.790.462.61.7551.252012574489413605100006000.70

10、.831.002.62.5191.42302360430164615第5章 风弯矩计算截面0-0 =1102+2565+18687+ 41360+64615（1000+2000+7000 +10000+5000） = 2.36截面1-1 = =2565 +64615 =2.23截面2-2 =17240 =1.98第6章 地震弯矩计算地震弯矩计算时，为了便于分析、计算，可化简图。图 3取第一振型脉动增大系数为则衰减指数塔得总高度H=30m全塔操作质量重力加速度地震影响系数查得（设防烈度8级）查得计算截面距地面高度h：0-0截面：h=01-1截面：h=1000mm2-2截面：h=3000mm地震弯

11、矩计算可用以下方法：截面0-0 = =1.25截面1-1 = 截面2-2 = 第7章 偏心弯矩计算 第8章 各种载荷引起的轴向应力 8.1 计算压力引起得轴向拉应力 其中、 8.2 操作质量引起的轴向压应力 截面0-0 令群座厚度为16mm；有效厚度； 截面1-1 其中，；为人孔截面得截面积，查相关标准得道=截面2-2 其中 ； A。8.3 最大弯矩引起的轴向应力 其中，+截面1-1 其中， 人孔截面得抗弯截面系数，查得相关标准得： 截面2-2 其中， 第9章 塔体和群座危险截面的强度与稳定校核9.1塔体的最大组合轴向拉应力校核截面2-2塔体得最大轴向拉应力发生在正常操作时得2-2截面上。其中

12、； ；K=1.2；。 ， 满足要求。9.2塔体与群座的稳定校核截面2-2塔体2-2截面上得最大组合轴向应力 满足要求。 其中， 查得（16，200）B=100MPa，K=1.2。截面1-1塔体1-1截面上得最大组合轴向压应力 满足要求。其中， A=查得Q235-B，400 B=96，K=1.2截面0-0塔体0-0截面上的最大组合轴向压应力满足要求。其中，B=96MPa，；K=1.29.3 各危险截面强度与稳定校核汇总项目计算危险截面0-01-12-2塔体与群座有效厚度141414截面以上得操作质量 191704193747181847计算截面面积 A=149464计算截面得抗弯截面系数Z=12

13、7最大弯矩 最大允许轴向拉应力204最大允许轴向压应力/MPa115.2115.2111135.6135.6204计算压力引起得轴向拉应力/MPa0078操作质量引起的轴向压应力12.5816.1411.70最大弯矩引起的轴向应力17.1735.2418.29最大组合轴向拉应力85.29最大组合轴向压应力29.7551.3885.29强度校核<满足要求稳定性校核<满足要求<满足要求<mi满足要求第10章 塔体的水压试验10.1水压试验时各种载荷引起的应力 1.试验压力和液柱静压力引起的环向应力 液柱静压力=2.试验压力引起的轴向拉应力 3. 最大质量引起的轴向压应力 4

14、. 弯矩引起的轴向应力 10.2 水压试验时应力校核1. 筒体环向应力校核 满足要求。2. 最大组合轴向拉应力校核 满足要求。3. 最大组合轴向压应力校核 ；满足要求。 第11章 基础环设计11.1 基础环尺寸 取 11.2基础环的应力校核 其中， （1） （2） +取以上较大者。选用75号混凝土，由表查得其许用应力：。，满足要求。11.3基础环的厚度假设螺栓直径为M42，由表查得l=160mm，当b/l=138/160=0.86时，由表查得取其中较大值，故按有筋板时计算基础环厚度：圆整后取第12章 地脚螺栓计算12.1地脚螺栓的最大拉应力注： （1） =1.48()（2） =0.54取以上最

15、大值，2.2地脚螺栓根径，选取地脚螺栓个数n=36；= 147MPa；。注： 由表查得M42得根径，故选用36个M42得地脚螺栓，满足要求。第13章 填料塔辅助构件填料塔在传质形式上是一种连续气液式传质设备。辅助构件由喷淋装置、填料、分布器、再分布器、支撑板、填料压板等部件组成。13.1 喷淋装置喷琳装置一般有喷洒型、溢流型、冲击型等。本设计采用的是冲击型。因为设计的塔直径为3400mm，不适宜采用喷洒和溢流型。 冲击型：反射板式喷洒型是利用液流冲击反射板得反射飞散作用而分布液体（如图所示）。反射板中央钻有小孔以喷淋填料的中央部分。13.2 填料的选择填料的选择应具有较大的比表面积，较高的空隙

16、率，结构要敞开，死角空隙小，液体的再分布性能好，填料的类型、尺寸、材质选择适当。本设计采用的是颗粒型填料鲍尔环填料。因为塔径较大，填料的尺寸选在50mm，材质为塑料，个数， 比表面积，空隙率，堆积密度干填料因子，填料因子13.3 液体分布器 1.液体分布器的选择 液体在填料塔顶喷淋的均匀状况是提供塔内气液均匀分布得先决条件。也是填料塔达到分离效果的保证。本设计考虑到是大直径塔，故采用管式液体分布器。如图所示。它是由进液管，液位管，和液体分布管组成。 2.分布器的送液能力计算：溢流型液体分布器的送液能力用下式计算 注：液体流量，； n孔数； H孔口或溢流管口以上，堰口下缘以上液层高度，m； 孔流

17、系数。=0.6； b溢流周边长或堰口宽度，m； g重力加速度，。13.4 液体再分布器当液体流经填料层时，液体有流向器壁造成“壁流”的倾向，使液体分布不均匀，降低填料塔的效率。采用液体再分布器，以便在整个高度内的填料都得到均匀喷淋。在设计时要考虑：（1）再分布器的自由面积不能过小，约等于填料的自由截面积，否则将会过大地增加阻力。（2）结构简单牢固，能承受气、液流体得冲击。（3）方便拆装。 本设计采用的是壁流收集再分布器。这样可以使将沿塔壁留下的液体用再分配堆导出至塔的中心，圆锥小端直径通常为塔径的0.7-0.8倍。13.5 支撑板 填料塔中，最常用的支撑板是栅板。如下图所示。对于大直径塔，可将

18、栅板分成多块，注意使每块栅板能够从人空处放进或放出。 13.6 填料压板当塔内气液负荷较大或负荷波动较大时，塔内填料将发生浮动或相互撞击，破坏塔的正常操作甚至损毁填料，一般在填料层顶设压板或者床层限制板。 13.7 气体的进出口装置与排液装置填料塔的气体出口既要防止液体倒灌，更要有利于气体的均与分布。可在气体出口处安装一除沫挡板,或填料式、丝网式除雾器，对除沫要求高时可采用旋流板除雾器。液体出口装置既要使塔底液体顺利排出，又能防止塔内外气体串通，常压吸收塔可采用液封装置。常压塔气体进出口管速可取10-20m/s（高压塔气速低于此值）；液体进出口管速可取0.8-1.5m/s（必要时可加大）。管径依所选气速决定后，按标准管规格进行圆整，规定其厚度。结 束 语本设计主要是在已有数据的基础上，通过查找相关资料和文献，结合已经学过的专业知识，在老师的指导下完成设计任务。填料塔的结构复杂，在计算中需要细心的推导和计算，因为是设备，要注意设计的条件，不同的地点，不同的条件设计的也不一样。在相关文献资料中对参数的选择尤为明显，要注重塔的稳定性，设计过程中要按已有的条件计算压力、载荷、轴向应力、弯矩等等。在计算完后要通过试验来检验可靠性，和国家相关标准相参照，保证设计的准确性。设计过程中，都根据实际情况作出且体的分析。致 谢经过几个月的努力