过程装备与控制工程专业毕业论文37184.doc

字号为初号，隶书 本科毕业论文字号为1号，黑体 题 目：3200硫化氢吸收塔强度计算与有限元分析院 系：能源与动力工程学院专 业：过程装备与控制工程毕 业 论 文 任 务 书祎毕业论文题目：硫化氢吸收塔机械设计（3200）及有限元分析毕业设计内容： 文献综述一篇；外文翻译，中文3000字以上（英文a4两页以上）； 设计计算书一份；中英文摘要一份；绘制施工图折合a0号图至少三张。指 导 教 师： 签字 2013年 6月 25日教研室主任： 签字 2013年 6月 25日系 主 任： 签字 2013年 6月 25日 摘要摘 要氨是重要的无机化工产品之一，在国民经济中占有重要地位。除液氨可直接作为肥料外，农业上使用的氮肥，例如尿素、硝酸铵、磷酸铵、氯化铵以及各种含氮复合肥，都是以氨为原料的。合成氨的工艺流程中，脱硫脱碳过程是很重要的一步。而合成氨工艺是离不开塔设备的。塔设备是化工、石油化工、生物、制药等生产过程中广泛应用的汽液传质设备。塔设备分为填料塔和板式塔，板式塔又分为浮阀塔,泡罩塔,筛板塔等。浮阀塔于20世纪50年代初期在工业上开始推广使用，由于它兼有泡罩塔和筛板塔的优点，已经成为国内应用较为广泛的塔型，特别是在石油、化学工业中使用最普遍，对其性能的研究也较充分。浮阀塔的优点：1、生产能力大、操作弹性大、塔板效率高、气体压强降及液面落差小和塔的造价低。本设计中所应用到的是板式塔中应用较为广泛的浮阀塔。本次设计主要任务为：1、强度校核及稳定性校核；2、工艺设计及计算。以上为常规设计内容，对于常规设计无法完成的问题，如结构不连续区域的强度计算，我们还初步学习了ansis的有限元分析。关键词： 合成氨； 浮阀塔； 强度计算；工艺计算； 有限元分析。abstract ammonia is one of important inorganic chemical products, occupies an important position in the national economy. in addition to ammonia can be used directly as a fertilizer, the fertilizer for agricultural use, such as urea, ammonium nitrate, ammonium phosphate, ammonium chloride, and various nitrogen-containing compound, ammonia as a raw material are. ammonia process, the desulfurization and decarbonization process is a very important step. the ammonia process is inseparable from the tower equipment. tower equipment is the chemical, petrochemical, biotechnology, pharmaceutical and other production processes widely used gas-liquid mass transfer equipment. packed tower and into the absorber plate tower, plate tower is divided into valve tower, bubble column, sieve tower. valve tower in the early 1950s, began to promote the use in industry, because it combines the sieve tray bubble column and the advantages of the application has become more widely tower type, especially in the petroleum, chemical industry uses the most general, studies have compared its performance fully. valve tower advantages: 1, large production capacity, operating flexibility, tray, high efficiency, gas pressure drop and liquid drop small and towers and low cost. this design is applied to the plate tower is widely used in the float valve tower. the design of the main tasks are: 1, strength check and stability check; 2, process design and calculation. above conventional design content can not be completed for the conventional design issues, such as varying the intensity of regional wall thickness calculation, under the guidance of the teacher , our preliminary study of the finite element analysis.keywords: ammonia; float valve tower; strength calculation; process calculation; finite element analysis.沈阳化工大学学士学位论文 目录目录第一章 毕业设计目的与基础数据11.1 目的11.2 工艺条件11.3 建厂地区有关资料2第二章 硫化氢吸收塔强度及稳定性校核42.1 塔壳厚度计算42.2 质量载荷计算52.3 塔的自振周期计算72.4 地震载荷及地震弯矩计算82.5 风载荷和风弯矩计算102.6 最大弯矩132.7 圆筒应力校核132.8 裙座设计142.9 塔体水压实验应力校核172.10基础环设计182.11 地脚螺栓192.12 筋板校核202.14 盖板校核222.15 裙座与塔壳对接焊缝校核232.16 塔顶挠度计算24第三章 筒体开孔补强计算253.1 补强判别253.2 开孔所需补强面积263.3 有效补强范围263.4 有效补强面积27第四章 工艺计算284.1 除塔板外塔尺寸的设计284.1.1塔板间距的选定284.1.2 塔的顶部空间高度284.1.3 塔的底部空间高度284.1.4 进料空间高度294.1.5 人孔数294.1.6 人孔处的板间距294.1.7 塔径初选294.2 塔板主要工艺尺寸的选取314.2.1 明确塔板设计中必须确定的主要结构参数314.2.2 溢流形式324.2.3 堰长的选定并校核溢流强度324.2.4 堰高的选定324.2.5 降液管下端距塔盘底部的距离334.2.6 受液盘及入口堰尺寸344.2.7 安定区和边缘区344.3 流体力学验算364.3.1 气体通过塔板的压降364.3.2 液泛校核374.3.3 液体在降液管中停留时间的校核384.3.4 雾沫夹带的演算394.3.5 漏液点校核414.4 塔的操作负荷性能图414.4.1 液相下限线414.4.2 液相上限线414.4.3 漏液线424.4.4 过量雾沫夹带线434.4.5 溢流液泛线44第五章 筒体与接管连接区域应力分析485.1 问题描述485.2 分析问题485.3 结果处理与讨论495.4 命令流49第六章 结论56致 谢57附录一 综述58附录二 文献翻译61沈阳化工大学学士学位论文 第一章 毕业设计目的与基础数据第1章 毕业设计目的与基础数据1.1 目的根据工艺条件，综合运用各学科知识，查阅相关标准以及其他参考书，通过理论方法，对硫化氢吸收塔进行结构设计和强度校核，对常规设计无法解决的问题学习了解有限单元法，通过这些工作，熟悉本专业设计过程中所用标准，深刻相关理论知识，了解新兴工程方法，开拓学术视角。1.2 工艺条件物料名称：富甲醇、变换气 物料特性：易燃、易爆、有毒、中度危害设计压力： 3.6mpa 最大工作压力：3.1mpa设计温度： -45/50 最低工作温度：-27.5保温材料：聚氨脂泡沫塑料保温材料容重：80 kg /m 3保温层厚度：60mm塔内径：3200mm板间距：400mm气相压缩系数：0.98液相表面张力：0.022n/m预洗段塔板数：110预洗段溢流程数：1预洗段气相平均重度： 29.22kg /m 3 预洗段液相平均重度： 906.1kg /m 3 预洗段气相流量： 216574kg /h预洗段液相流量： 11685kg / h预洗段气相摩尔质量：20.19kg/kmol预洗段气相动力粘度：0.012mpa s预洗段液相动力粘度：0.71mpa s主洗段塔板数：1183主洗段溢流程数：2主洗段气相平均重度： 28.93kg /m 3 主洗段液相平均重度： 886.7kg /m 3 主洗段气相流量： 215680kg /h 主洗段液相流量： 247981kg /h 预洗段气相摩尔质量：20.15kg/kmol预洗段气相动力粘度：0.012mpa s预洗段液相动力粘度：0.74mpa s填料顶部高度：11600填料底部高度：9100填料密度：906 kg /m 31.3 建厂地区有关资料地址：湖南岳阳 气温：328设计基本风压值（10m高度处）： 480pa 地震烈度： 7度 地震影响：近震场地土类型：地面粗糙度：b安装：立式、室外水文：水量充沛、一次水 tmax=30 图1.1 塔经3200硫化氢吸收塔工艺图68沈阳化工大学学士学位论文 第二章 硫化氢吸收塔强度与稳定性校核第二章 硫化氢吸收塔强度及稳定性校核2.1 塔壳厚度计算筒体厚度计算公式2-1 ： pc计算压力，mpa； di塔壳内直径，mm；t设计温度下塔壳材料的许用应力，mpa；焊缝系数；查gb150 低温耐腐蚀材料 塔壳材料选用09mnnidr 查得t=159mpa筒体计算厚度 则 设计厚度d =+c2=43.20+3=46.20mm名义厚度n=d+c1+=47mm有效厚度e=n-c1-c2=47-3=44mm封头厚度计算公式 2-2： pc计算压力，mpa； di塔壳内直径，mm；t设计温度下塔壳材料的许用应力，mpa；焊缝系数；封头计算厚度 则 设计厚度d =+c2=42.91+3=45.91mm名义厚度n=d+c1+=47mm有效厚度e=n-c1-c2=47-3=44mm2.2 质量载荷计算圆筒和裙座质量入孔、法兰、接管等附属件质量内构件质量：浮阀塔盘75kg/m3 保温材料质量平台扶梯质量：平台单位质量为150kg/m2；扶梯单位质量40kg/m物料质量主洗段塔内物料质量=预洗段塔内物料质量=总物料质量塔内填料质量充水质量塔器的操作质量塔器的最大质量塔器的最小质量将塔沿高度分为10段，如图2.1所示，各部分质量列入表2.1。图2.1 塔沿高度分段图表2.1 各段质量计算表 段号质量12345678910m01+ma202002020020200202002020020200202002020020200202002148525452545254525452545254525452545254892172172172172172172172172171216 121612161721216172172121617212166015 24059 11776 32385 32385 32385 32385 32385 32385 5888 m060 018207 00 00 00 014116 34533345333453334533345333453334533345333453329668 50946 38663 58228 59272 58228 58228 59272 58228 32775 37769 61420 79627 60376 61420 60376 60376 61420 60376 61420 219352268440891216402268421640216402268421640226842.3 塔的自振周期计算 t1等直径、等厚度塔器的基本自振周期，s；h塔器的总高度，mm；e材料在设计温度下的弹性模量，n/mm；2.4 地震载荷及地震弯矩计算 k1基本振型参与系数；tg场地土的特征周期，查钢制塔式容器；1对应于塔器基本自振周期t的地震影响系数；max地震影响系数的最大值，查钢制塔式容器；mk距地面hk处的集中质量，kg；cz综合影响系数，取cz0.5；fk1集中质量引起的基本振型水平地震力，n。地震载荷及地震弯矩计算见表2.2表2.2 地震载荷及地震弯矩计算项目塔段号12345678910操作质量m0 kg29668 50946 38663 58228 59272 58228 58228 59272 58228 32775 集中质量距地面高度hi mm2148644410740150361933223628279243222036516408129.961045.171051.111061.841062.691063.631064.671065.781066.981068.241062.951092.6410104.3010101.0710111.5910112.1110112.7210113.4310114.0610112.7010112.9410141.3610164.7810161.9710174.2810177.6810171.2610181.9810182.8310182.2310181.8410129.7710180.0188 0.0975 0.2098 0.3475 0.5067 0.6846 0.8796 1.0902 1.3153 1.5541 cz0.50.0778（地政烈度7，近震，场地2）g m/s9.81212.451895.73095.57722.41146015212195442465829226194374.561051.221073.321071.161082.221083.591085.461087.941081.071097.931083.94109塔高为42.96m，由于大于20m，还需考虑高振型的影响即 考虑以下3个危险截面（1） 塔器底截面0-0（距地面高度0m）（2） 筒体与裙座焊接截面-（距地面2540m）（3） 裙座人孔中心截面-（距地面950m）0-0截面地震弯矩：截面地震弯矩：-截面地震弯矩：2.5 风载荷和风弯矩计算pi=k1k2iq0filidi10-6pi塔器各计算段的水平风力，n；di塔器各计算段的有效直径，mm；d0i塔器各计算段的外径，mm；d0塔顶管线外径，mm；fi风压高度变化系数，查钢制塔式容器；k1体型系数，取k0.7；k2i塔器各段的风振系数 脉动增大系数，查钢制塔式容器；i第i段脉动影响系数，查钢制塔式容器；si第i段振型系数，查钢制塔式容器；k3笼式扶梯当量宽度；当无确切数据时，可取k3400mm；k4操作平台当量宽度，mm；图2.2 风载沿塔高分布图将塔沿高分为5段，见图2.2。计算结果见表2.3。表2.3 风载荷和风弯矩计算项目塔段号12345塔段长度 m0101020203030404042.96q0 n/m480k10.7（b类）2.32i(b类）0.7200.7900.8200.8500.855zi0.030.190.470.760.98fi(b类）1.001.251.421.561.591.050 1.279 1.630 1.961 2.223 li mm100001000010000100002960k3 mm400k4 mm600dei mm493417409 26496 38364 50708 17342 + nmm3.9109截面风弯矩-截面风弯矩2.6 最大弯矩塔底部截面处截面 截面 2.7 圆筒应力校核确定危险截面：圆筒上的危险截面为截面验算塔壳截面处操作时的强度和稳定性，计算结果见表2.4表2.4 塔壳截面处操作时强度和稳定性计算结果表操作时计算-截面圆筒应力校核（t=159mp,e =44mm ） 509645.6299 442112 353689600 168 162.18 65.45 11.31 15.30 26.6168校核通过 69.44162.18校核通过2.8 裙座设计(1)对裙座厚度，材料，裙座内径进行初选裙座材料选用q235c对于q235c b=375mpa s=235mpa t=125mpa初选裙座名义厚度ns=16mm es=14mmdis=3262mm裙座壳为圆筒形，（2）计算校核式中各类需用应力以及裙座圆筒底部截面积asb和zsb 查则 asb裙座圆筒的底部截面积，mm2； dis裙座底部内直径，mm； es裙座的有效厚度，mm； zsb裙座圆筒底部截面系数，mm2； dis裙座底部内直径，mm； es裙座的有效厚度，mm；（3）校核危险截面0-0截面和-截面校核裙座壳底0-0截面校核式1：校核式2：所以0-0截面校核通过校核裙座检查孔-截面由塔设备p320得am=2lmm=220016=6400mm2校核式1：； ；校核式2：； 所以-截面校核通过2.9 塔体水压实验应力校核确定危险截面：圆筒上的危险截面为截面验算塔壳截面处水压实验时的强度和稳定性，计算结果见表2.5表2.5 塔壳截面处水压实验时强度和稳定性计算结果表 4.5 267598 168 206.55 247.86 165.89 81.82 5.94 4.59 165.89206.55校核通过 10.53168校核通过 80.47600mm（5）htd关系表塔板间距ht取400mm4.1.2 塔的顶部空间高度为了减少塔顶出口气体中夹带的液体量，顶部空间一般取1.21.5。依据塔设备选为1.5m。4.1.3 塔的底部空间高度当进料系统有15min的缓冲容量时，釜液的停留时间可取35min，否则至少取15min的停留时间，记釜液的流速为0.5m/s，取塔釜的高度为1460mm。4.1.4 进料空间高度加料板的空间高度取决于加料板的结构形式及进料状态。如果是液相进料，其高度可与板间距相同或稍大些，如果是气相进料，取决于进口的形式。在这里，属于液相进料，且进料分别在塔顶部和填料的下部，这两部分的空间高度都为1.5m。4.1.5 人孔数在塔顶和塔底各设一个人孔，在预洗段液相进料处设一人孔，在填料部位设一人空，供安装填料和维修，在板式塔内由于板间距较小，分别在主洗段和预洗段每隔22、23层设一人孔，加上裙座上的人孔，合计人孔数为7个。4.1.6 人孔处的板间距在设置人孔处，板间距应根据人孔直径确定，一般不小于人孔公称直径，塔盘支撑梁高度及50mm之和，且不小于600mm，在这里取为800mm。4.1.7 塔径初选1 主洗段已知l=247981kg/h g=215680kg/h ht=400mm 清液层高度hl=70mm最大允许气速（液泛速度）；最适宜操作气速（实际气速）：；取 ;2 预洗段已知l=11685kg/h g=216574kg/h ht=400mm 清液层高度hl=70mm最大允许气速（液泛速度）；最适宜操作气速（实际气速）：；取 ;圆整后，取 ；4.2 塔板主要工艺尺寸的选取4.2.1 明确塔板设计中必须确定的主要结构参数图4.1 塔板设计主要尺寸完整的塔板设计必须确定的主要结构参数有（1）塔板直径d；（2）板间距ht；（3）溢流堰的型式，长度lw和高度hw;（4）降液管型式，降液管底部与塔板间距的距离h0；（5）液体进出口安定区的宽度ws，边缘区宽度wc；（6）筛孔直径d0，孔间距t4.2.2 溢流形式依据（1）.溢流强度70时，取双溢流（2）.塔径3m,只需溢流强度20,即可用双溢流对于预洗段 溢流强度20故： 预洗段为单液流，流程数为1； 主洗段为双液流，流程数为2。4.2.3 堰长的选定并校核溢流强度预洗段（单溢流）：；主洗段（双溢流）：。预洗段单溢流溢流强度：；主洗段双溢流溢流强度：溢流强度强度校核通过。4.2.4 堰高的选定; 板上液层高度，取为70mm，堰上液层高度 4.2.5 降液管下端距塔盘底部的距离 ； 降液管底边出口处的液体流速，一般取1.5m，=（80110）mm时，取=80mm。边缘区也称为无效区，因靠近塔壁的部分需要留出边缘区域，以供支撑塔板的边梁之用，宽度为。小塔为3050mm，大塔为5075mm。在这里取=50mm。4.2.8 浮阀孔数及排列 阀孔直径为39mm，在正常操作条件下，阀孔动能因数为814。当塔板上的所有浮阀刚全开时的阀孔气速，称为临界阀孔气速。临界阀孔气速与临界阀孔动能因数，取用以下数值：；阀孔临界动能因数，；阀孔临界气速，m/s。根据浮阀的受力分析和试验结果，提出了如下关联式：；堰上清液高度，m；出口堰高，m；气液二相密度差，。单溢流预洗段：；双溢流主洗段：； 阀孔的直径，m；取。 塔板上所开的阀孔数；单溢流预洗段： 双溢流主洗段： ； 考虑到分块塔盘各个塔盘之间需要支撑和衔接，要占用一部分空间，所以实际阀孔数与理论阀孔数可能有一定的差别，现在以主洗段为例，实际排除的阀孔数为750，按照n=750重新校核，仍在正常操作范围之内，满足要求。浮阀以等腰三角形叉排，且各排浮阀垂直于液流方向，同一横排的阀孔中心距定为t=65mm，同一竖排的阀孔中心距定为h=70mm。4.3 流体力学验算已知l=247981kg/h g=215680kg/h ht=400mm 清液层高度hl=70mm最大允许气速（液泛速度）；最适宜操作气速（实际气速）：；取 ;4.3.1 气体通过塔板的压降 干板压降浮阀全开前：， 浮阀全开后：， 在预洗段和主洗段取为1.1，即。故a、 预洗段b、主洗段 液层阻力降 (气体通过塔板上液层的压降) 总压降:故 预洗段的总压降：；预洗段的总压降：。4.3.2 液泛校核降液管内清液层高度：；液体通过降液管的压头损失，m；降液管底边出口处的液体流速，；a、 预洗段的计算b、 主洗段的计算4.3.3 液体在降液管中停留时间的校核a、 预洗段的计算，查化工原理得：;则 b、 主洗段的计算，查化工原理得：;则 4.3.4 雾沫夹带的演算泛点率： 或 取两者中的最大值，且使最大值(80-82)%板上液体流经长度，即横过板上长度，m；板上液流面积，m；a、 预洗段（单液流） ; 堰长所对应的圆心角；塔板堰长；查化工原理的,物性系数k=1.0，泛点负荷系数为0.12；b、 主洗段（双液流） ; 堰长所对应的圆心角；塔板堰长； ；查化工原理的,物性系数k=1.0，泛点负荷系数为0.12；4.3.5 漏液点校核阀孔动能因数：a、 预洗段漏液点校核： b、 主洗段漏液点校核： 4.4 塔的操作负荷性能图4.4.1 液相下限线堰上液流高小于6mm时，液体不均布，取堰上液层高度为0.006m，取e=1.0。则： ；a、 预洗段： b、 主洗段：4.4.2 液相上限线 液体在降液管中停留时间不足时，引起气泡夹带。（气相返混）预洗段：；主洗段：；取t=4s，则：预洗段：主洗段： 4.4.3 漏液线取阀孔的动能因子为下限。由 ；知 ;在计算过程中按代入，则；又知 a、 预洗段 与液体流量无关的水平漏液线 b、 主洗段 与液体流量无关的水平漏液线 4.4.4 过量雾沫夹带线泛点率： ；按泛点率为80%计算，其结果如下：a、 预洗段： 化简得：； 由上式可知，雾沫夹带线为直线，在操作范围内，任取两个值，算出值列于下表：表4.1 和关系表0.050.103.0102.210b、 主洗段： 化简得：；由上式可知，雾沫夹带线为直线，在操作范围内，任取两个值，算出值列于下表：表4.2 和关系0.050.103.0452.2814.4.5 溢流液泛线 将上式化简成和的关系；a、 预洗段：;在操作范围内任取两个值，算出值列于下表：表4.3 和关系表0.0050.0100.0150.0205.0583.724.764.63b、 主洗段;在操作范围内任取两个值，算出值列于下表：表4.4 和关系表0.0050.0100.0500.1005.5725.4274.5333.313根据上述计算的五条线可分别作出单溢流和双溢流塔板负荷性能图。 图4.1 单溢流塔板负荷性能图由塔板负荷性能图可以看出：（1） 任务规定的气、液负荷下的操作点p（设计点）处在适宜操作区内的适中位置。（2） 塔板的气相负荷上限由雾沫夹带线控制，操作下限由液相负荷下限线控制。 （3）按照固定的液气比，由图查出塔板的气相负荷上限，气相负荷下限；预洗段操作弹性为 图4.2 双溢流塔板负荷性能图由塔板负荷性能图可以看出：（3） 任务规定的气、液负荷下的操作点p（设计点）处在适宜操作区内的适中位置。（4） 塔板的气相负荷上限由雾沫夹带线控制，操作下限由液相负荷下限线控制。（5） 按照固定的液气比，由图查出塔板的气相负荷上限，气相负荷下限；主洗段操作弹性为 沈阳化工大学学士学位论文 第五章 筒体与接管连接区域应力分析 第5章 筒体与接管连接区域应力分析5.1 问题描述硫化氢吸收塔筒体内径=3200mm，壁厚=47mm，接管外径=600mm，壁厚42mm，接管内伸长度=0mm；外侧过度圆角=30mm；内压p=3.6mpa。材料的弹性模量e=2.07mpa，泊松比u=0.3。5.2 分析问题由于仅考虑内压作用下的应力状况，为此有限元模型可利用结构的对称性取开孔接管区的1/4建模。筒体长度及接管外伸长度应远大于各自的边缘应力衰减长度，取柱壳长度lc=6000mm，接管外伸长度ln=600mm。选择solid45单元结构进行离散化，单元网格图如图3-1所示。对称面施加对称约束，接管端部约束轴向位移，筒体端面施加轴向平衡面载荷，并按下式计算： （3-1-2）图5-1 单元网格图筒体及接管处的应力分布如图5-2所示。图5-2 筒体及接管处应力分布5.3 结果处理与讨论计算结果如图5-2所示，显示了筒体开孔后的应力分布。可见最大应力发生在筒体最高位置与接管的连接区，最大应力强度为117.49mpa。材料许用应力为143mpa,故筒体及接管处应力满足强度要求。5.4 命令流*set,rci,1600 *set,tc,42 *set,rco,rci+tc *set,lc,6000*set,rno,300*set,tn,42 *set,rni,rno-tn *set,hmin,sqrt(rci*2-rni*2) *set,lni,0 *set,ln,600 *set,rr1,30 *set,rr2,15 *set,pi,3.6 *set,pc,pi*rci*2/(rco*2-rci*2) *set,pn,pi*rni*2/(rno*2-rni*2) save/prep7 et,1,solid45mptemp, mptemp,1,0 mpdata,ex,1,2.07e5 mpdata,prxy,1,0.3 cylind,rco,rci,0,-lc/2,90,270, flst,2,3,4 fitem,2,24 fitem,2,26 fitem,2,1 al,p51x flst,2,3,4 fitem,2,25 fitem,2,28 fitem,2,2 al,p51xflst,2,5,5,orde,5 fitem,2,3 fitem,2,5 fitem,2,8 fitem,2,10 fitem,2,-11 va,p51xcm,_y,volu vsel, , , , 7 cm,_y1,volu chkmsh,volu cmsel,s,_y vsweep,_y1 cmdele,_y cmdele,_y1 cmdele,_y2 cm,_y,volu vsel, , , , 4 cm,_y1,volu chkmsh,volu cmsel,s,_y vsweep,_y1 cmdele,_y cmdele,_y1 cmdele,_y2 cm,_y,volu vsel, , , , 1 cm,_y1,volu chkmsh,volu cmsel,s,_y vsweep,_y1 cmdele,_y cmdele,_y1 cmdele,_y2 smrt,6 c