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1、中石化工程建设公司申请工程师论文填料支撑设计作者： 兰天路 评审： 时间：2009年7月31日摘 要：对填料支撑结构的形式进行介绍，主要归纳总结格栅支撑的设计，对设计过程中的要点进行介绍并比较分析。关键字：填料支撑；栅板支撑；格栅板；支撑梁 ；V型丝网；1. 前言在化工设备设计中，对于填料塔、反应器等设置有填料的容器，填料支撑是其主要元件之一。填料支撑在设计中属于非受压元件，又没有一定的相应标准去遵循，但它的结构设计的是否合理，直接影响到整台设备的使用效果。在此，我就填料支撑设计中所涉及的问题作个简要总结。2. 填料支撑的设计2.1填料支撑的设计要求填料支撑装置对保证填料设备的操作性能具有重大

2、作用，设计合理的支撑结构是非常重要的。对填料支撑装置的基本要求是：a.有足够的强度以支撑填料的重量；b.提供足够大的空隙率，尽量减小气液两相的流动阻力；c.有利于液体的再分布；d.耐腐蚀性能满足介质要求；e.便于制造，安装拆卸方便等。评价填料支撑装置的性能优劣，主要根据它能否在支撑板与填料的接触区内，提供足够的刚度和空隙率。有效空隙率的高低除与填料形式有关外，更取决于支撑板的结构。2.2填料支撑的结构设计常见的典型支撑板结构有梁型气体喷射式支承板和栅板。梁型气体喷射式支承板的结构特点是：刚性好，允许载荷大；对气体和液体提供了不同的通道，气相流道的自由截面积大，使气体容易进入填料层内，气体通过支

3、承板的压降小；而液体也可以自由排出，既避免了液体在板上的聚集，又有利于液体的均匀再分配。而栅板的特点是结构简单，制造方便，并在中小型填料支撑结构中应用最为普遍。本文只对栅板这种支撑板形式进行说明。关于栅板支撑的结构，主要分为两部分：用于直接支撑填料的格栅板和对格栅板及整个支撑结构起作用的支撑件，这里的支撑件主要包括支撑圈和支撑梁。除了容器内径D350mm时，可做成不可拆的形式，直接与筒壁相焊之外，在其他的情况下，栅板应作为可拆件，由支撑圈和支撑梁等支撑件支撑。在容器直径不大，载荷较小的情况下，格栅结构由焊接在容器内壁上的支撑圈支撑即能满足要求（见图），在这里，格栅由螺栓母与压圈角钢、支撑圈和丝

4、网连接在一起。而当容器直径或载荷较大，以致支撑圈无法满足支撑要求的情况下，需采用牛腿支撑的支撑梁结构，与支撑圈一起共同支撑格栅及填料（见图），必要时，支撑圈需要筋板加强。当然，对于可拆的格栅板，其分块的要求是能从人孔中进出并便于安装。 图支撑圈支撑结构 图2 支撑梁支撑结构2.3格栅板的设计格栅板用扁钢条和扁钢圈焊接而成（如图所示）。图 格栅基本结构2.3.1工艺条件要求工艺条件对格栅总体尺寸、格栅的承重强度、格栅的流通面积等均有所要求。其中格栅总体尺寸由筒体内径决定；格栅承重强度由填料重量及床层压降等因素决定；而对空隙率的要求则决定了栅板的设计尺寸、间距。此外，设计格栅板时为防止填料堵塞矩形

5、通道，造成栅板附近的流通面积减小，设计时除考虑采用适宜的栅条间距外，还应根据填料的形状和粒径考虑设置丝网。还有，在栅板和填料之间铺设一层瓷球，作为过渡支撑，以取得较大空隙率。根据工艺要求，在栅板具体设计中还应考虑结构、材料、许用应力、腐蚀裕量等诸多因素。2.3.2结构设计（1） 格栅板分块设计时，应根据筒体内径尺寸确定格栅板的分块。当筒体内径较小时，可采用整块式栅板，筒径D350mm时，栅板可直接焊在筒壁上；筒径D=400500mm时，栅板可设计成可拆结构，整块栅板由焊接于筒壁的支持圈支撑。当筒径较大时，宜采用分块式栅板。筒径D=600800mm时，栅板可分为两块；筒径D=9001200mm时

6、，栅板可分为三块；筒径D=14001600mm时，栅板可分为四块；当筒径再大时，可根据实际情况进行分块，但需注意的是，每个栅板块的边缘均需稳定搭放在支持圈或支撑梁上，以保证其稳固，同时，分块式栅板每块的宽度和重量应考虑其由设备人孔的进出和安装。（2） 栅板钢条形状选取栅板一般采用扁钢条与扁钢圈焊接而成，也有用圆钢代替扁钢的情况，对此可分析两种截面的力学特性，加以比较。我们知道，栅板钢条的力学模型可最终简化为受均布载荷的简支梁（见图），其最大弯矩和最大挠度位于简支梁的中心，其值为：最大弯矩；最大挠度 而钢条的最大弯曲应力 ；对于扁钢截面：惯性矩 ； 抗弯模量 （见图）对于圆钢截面：惯性矩 ； 抗

7、弯模量 （见图）图4栅板钢条力学模型图5截面示意图通过对比可以看出，扁钢截面抗弯模量要远大于圆钢；而当流通面积一定，也就是说栅板钢条间距一定的时候，扁钢的高度b还可以根据需要增加。由此可见，栅板钢条形状应选取扁钢。（3） 栅板钢条尺寸及间距的选取栅板钢条尺寸及间距的选取要考虑流通量要求、塔径、塔体椭圆度、填料直径、填料层高度、栅板加工制造等因素。首先根据工艺条件对流通量的要求，估算格栅间距，例如流通量为80%，则由式计算S，即，由此估算格栅间距。但还需要考虑的是，支撑圈、梁的设置都会阻挡流通面积，所以在此基础上应适当加大S，以保证足够的流通面积。此外，在确定格栅间距和高度时还应考虑便于焊接，设

8、最小焊接夹角为15 度，则应保证： 其中，S栅条间距；t栅条厚度；H栅条高度（见图6）我们知道，栅条受力可简化为一条受均布载荷的两端简支梁，计算栅条的强度时，略去填料对塔壁的摩擦阻力，则作用于栅条上的总载荷P(N)为：式中 PP 填料重量，；H 填料层高度，m;L 栅条长度，cm;t 栅条间距，cm; 填料的堆积密度，kg/m3；PL 填料层的持液量，N；对于颗粒填料：对于丝网填料： 液体密度，kg/m3。图栅条示意图对于简支梁，最大弯矩为。但是，实际上栅条上的载荷分布是不均匀的，为安全起见，可假定：（N·cm）而其截面抗弯模量W为：（cm3）式中 S 栅条厚度，cm；h

9、栅条高度，cmC 腐蚀裕量，cm。于是，可核算栅条的弯曲应力: （Pa）（4） 支撑圆钢结构选取为增加栅板的整体刚性和稳固性，在栅板钢条之间通常要以圆钢相连接。支撑圆钢的形式有以下两种：a圆钢焊接在扁钢条底部（如图2），优点是操作简单、便于焊接，缺点是稳固性差。b圆钢焊接在栅板之间（如图3），优点是格栅板的整体稳固性高，缺点是操作复杂，焊接工作量大。 图7 图8（5） 格栅结构的改进上述栅板结构还存在一些缺点。第一，连接格栅条的扁钢圈与支持圈之间常常积存壁流液体，不易排出。改进方法为减小扁钢圈的高度，一般取格栅高度的2/3，使其与支持圈之间留有一定的空隙(见图9)。第二、分块栅板组装时，各块之

10、间常有卡嵌现象。改进方法为将各分块之间的间距改用定距环保证(见图10)。对于容器直径较大、栅块分块较多的情况，也可在各分块之间焊接一定大小的圆钢，以保证分块栅板的组装。 图9 图102.3.3许用应力的确定由于格栅属于非受压的受力元件，因此其许用应力不能按照受压元件许用应力选取，而应取2/3材料屈服强度，即。2.3.4腐蚀裕量根据HG20580-1998规定，容器内件与壳体材料相同时，容器内件的单面腐蚀裕量按下表选取：结构形式受力状态腐蚀裕量不可拆卸或无法从人孔取出者受力不受力取壳体腐蚀裕量取壳体腐蚀裕量的1/2可拆卸并可从人孔取出者受力不受力取壳体腐蚀裕量的1/40根据设备专业设计通用统一规

11、定：双面与介质接触，不与筒体直接相焊的碳钢，低合金钢元件，每个面应取筒体腐蚀裕量的一半。而格栅为受力元件，双面与介质接触，可拆卸。综合这两个规定，取单面腐蚀裕量为1/2壳体腐蚀裕量。2.3.5载荷除工艺条件中另有要求外，设计中必须保证填料及其支撑件在最高工作温度下能够承受下列载荷：（1） 填料床重、支撑板重和板上任意位置的集中载荷。（2） 朝下方向上的最大操作载荷等于填料自身质量、持液量(15%的持液量)以及其他内件的质量等。除上述要求外，设计时应考虑安装和检、维修载荷，其大小按1000N集中荷载考虑。此外，还应考虑附加载荷要求，即填料床的净载荷加上净持液量（填料容积的4%）。2.3.6挠度格

12、栅板和梁在操作载荷条件下的向下、向上最大挠度不得超过塔径的1/800，且最大不超过6mm。2.4支撑梁的设计简介2.4.1梁的结构选取支撑梁的设计要遵循如下限制规定：a.梁的水平投影面积不得大于塔径与从格栅底部到下层填料顶部距离乘积的1/3；b.梁的高度不得高于床层高度的10%或30mm两者中的小者；c.梁的最大宽度为100mm，如果宽度或高度大于要求，应采用桁架。常见梁有扁钢、槽钢、工字钢、H型钢几种形式。扁钢结构简单，但其抗弯模量相对较小，一般不宜使用；槽钢容易产生侧向偏转，稳定性不及工字钢、H型钢；工字钢与H型钢是优先选用的梁的结构。由于本设计对梁的高度限制较严格，同时床层高度及压降较大

13、，对梁的强度要求较高，相对常规的型钢工字钢而言，H型钢可以按照设计需要调整腹板和翼板的厚度、长短，在保证强度的基础上，节省了空间，比工字钢更适合本设备要求，也易于制造。2.4.2梁的数量选取首先，梁的数量选取要结合格栅强度计算，因为梁的数量决定了单根格栅板的长度。其次，应考虑流通面积要求，尽可能使梁所遮盖的流通面积减小。另外还应考虑经济要求，节省成本。3. 填料支撑结构的发展和总结对于填料设备而言，其支撑结构虽然属于非受压元件，其设计也无一定之规，但是，填料支撑对于整台设备却起着至关重要的作用。随着设计和应用的发展，近来，除了被普遍应用的格栅支撑之外，有一种型丝网（约翰逊网）支撑格栅的支撑结构也被大量应用在填料设备中。这种结构（见图11）采用将V型金属丝以电阻焊的方式焊接在支撑杆上的形式构成筛网，使丝网