Ф1800 SO2 吸收塔设计

1、 四川理工学院毕业设计1800 SO2 吸收塔设计 学 生：学 号：09081010231专 业：过程装备与控制工程班 级：09级1班指导教师：石 艳四川理工学院机械工程学院学院二一二年十月第 3 页 共 67 页四 川 理 工 学 院毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目： 1800 SO2吸收塔设计 学院：机械工程专业：过程装备与控制工程 班级：2009级1班学号：09081010231学生： 指导教师： 石艳 接受任务时间 2013年3月1 日 教研室主任 （签名）系主任 （签名）1 毕业设计（论文）的主要内容及基本要求1) 设计原始参数塔体内径：1800mm 设计压力：1.2 工作温度

2、：30 塔高：约12500mm偏心质量：2500kg 偏心距离：1600mm 介质：二氧化硫、焦炉气、吸收液等液体密度：998.2kg/ 液体表面张力：940896kg/ 气体密度：1.257kg/气体流量：4500 混合气体黏度：0.065 场地类别：基本风压：3000 地震强度：8设计（论文）的要求：设计说明书一份，0#总装配图1张，零部件图若干，总量不少于0# 2 指定查阅的主要参考文献及说明GB150，化工原理、塔设备设计、化工容器及材料选择3 进度安排设计（论文）各阶段名称起 止 日 期1资料收集，阅读文献，完成开题报告2013.03.01-2013.03.252完成工艺计算及结构设

3、计2013.03.26-2013.04.203完成所有图纸的绘制2013.04.21-2013.05.154完成设计说明书的撰写2013.05.16-2013.05.305完成图纸、设计说明书的修改，答辩的准备2013.05.30-2013.06.07摘 要塔设备是化工、石油化工和炼油生产中最重要的设备之一。填料塔是塔设备的一种，为连续接触式的气、液传质设备。本次设计的二氧化硫填料塔，选用规整填料，根据已知的操作条件及过程的性质，按照国家标准，对塔进行工艺计算、结构计算和强度计算，得到符合要求的填料塔。关键词：填料塔；工艺计算；结构计算；强度计算IABSTRACTtower equipment

4、 in chemical, petrochemical and oil refining production is one of the most important equipment. Packed tower is one of the types of tower equipment for continuous contact of gas and liquid mass transfer equipment. The sulfur dioxide filler tower of the design and selection of structured packing, acc

5、ording to the known operating conditions and the properties of the process, in accordance with the national standards, the tower process calculation, structure calculation and strength calculation, meets the requirements of packed tower.Keywords:packed tower;processcal culation; structural calculati

6、on; strength calcultion第 III 页 共 69 页目录摘 要IABSTRACTII第一章 绪论11.1填料的发展和简述 11.2填料塔的作用和工作原理简述2第二章 填料选择32.1 填料的选择及物料选择32.1.1 填料及堆积方式的选择32.1.2 填料及堆积方式的选择5第三章 塔的工艺计算63.1 物料衡算63.2 操作气速83.3 填料的润湿性能及喷液密度校核83.4 填料层高度计算9第四章 填料塔的结构设计124.1 填料支承装置124.2液体分布装置14第五章 塔附属结构设计165.1 物料进出管设计及法兰选取165.2床层限制板175.3

7、除沫装置185.4 裙座及吊柱195.4.1 裙座的选型和计算195.4.2 吊柱的选型22第六章 塔的强度计算及校核246.1 塔体的选材及连接256.2 筒体与封头的厚度计算256.2.1 筒体厚度计算256.2.2 封头厚度计算26III6.2.3 壁厚附加量的计算206.3 塔设备质量载荷计算286.4 自振周期计算316.5 地震载荷与地震弯矩计算316.5.1 确定危险截面336.6 风载荷与风弯矩的计算346.7 偏心弯矩及最大弯矩396.8 圆筒轴向应力校核及圆筒稳定校核406.8.1 圆筒轴向应力406.8.2 圆筒轴向应力校核及稳定校核416.8.3  

8、塔设备压力试验时的应力校核 436.8.4 吊装引起的应力校核446.9 裙座强度校核446.10 基础环设计466.11 地脚螺栓计算49第七章 接管及开孔补强517.1 有效补强范围和面积527.2 液体出料管在封头上的开孔补强537.3 筒体和裙座人孔处开孔补强计算55结 论58参考文献61致谢辞62第 III 页 共 69 页四川理工学院毕业设计（论文）第一章 绪论1.1填料的发展和简述 塔设备是化工、炼油生产中最重要的设备之一。它可以使气液或液液两相之间进行紧密接触，达到相际传质及传热的目的。常见的，可以在塔设备中完成的单元操作有：精馏、吸收和萃取。&#

9、160;在化工、炼油生产中，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的各个方面，都有重大影响。 塔设备根据长期的发展，形成了型式不同的繁多结构，以满足各方面的需要。最常见的分类是按塔的内件结构分为板式塔和填料塔两类。板式塔的研究起步较早，其流体力学和传质模型比较成熟数据可靠。尽管和填料塔相比效率较低、通量较小、压降较高、持液量较大，但由于结构简单、造价较低、适应性强、易于放大等待点，因此在70年代以前的很长一段时间里，塔板的开发研究一直处于领先地位。然而70年代初期出现的世界的能源危机迫使填料塔技术在近20年来取得厂长足的进展。因为性能优良

10、的新型填料相继问世，特别是规整填料及新型塔内件的不断开发应用和基础理论研究的不断深入，使填料塔的放大技术村了新的突破，改变丁以板式塔为主的局面。国外塔设备的发展以转向“要求在提高处理能力和简化结构”的前提下，保持一定的操作弹性和适当的压力降，并尽量提高塔盘的效率。新型填料的研究，则希望找到有利于气液分布均匀、高效和制造便宜的填料。在我国，随着石油化工的不断发展，传质分离工程学的研究日益深入，使填料塔技术及其应用进入了一个崭新的时期，其工业应用巴与发展中国家并驾齐驱，进入世界先进行列。 近几十年来，国内外学者对填料塔进行大量的研究。主要集中在下面几个方面： 1优化填料结构，开

11、发多种规格和材质高效率、低压降、大通量填料散装填料包括金属、塑料、陶瓷阶梯环填料(CMR)和金属环矩鞍填料(IMTP)等，规整填料包括网波纹填料、板波纹填料等。其中苏尔寿(sulzer)公司在ACHEMA94上推出的规整填料引起了人们广泛的关注。另外，国内外有部分学者试图把板式塔与填料塔两者结合起来，构成厂复合塔。  2对塔内件进行优化匹配  一方面根据塔内各段不同分离要求和两相负荷沿塔高的分布来选择最合适的填料并优选其结构参数；另一方面是合理的设汁气体、液体分布器等塔内件。一个优化匹配良好的填料塔对于顺利开车和运行是绝对必要的。 3对填料层内

12、液体的流动与分布进行研究 众多学者对这个问题进行了大量的研究其中包括：Tour和Lerman用随机游动机理解释的填料层中的液体滴流流动，Cihla和Schmidt推导出的著名的径向扩散模型；Gunn在扩散模型基础上提出的流函数模型等等。1.2填料塔的作用和工作原理简述填料塔具有结构简单、压力降小，且可用各种材料制造等优点。在处理容易产生泡沫的物料以及用于真空操作时，有其独特的优点。过去由于填料体及塔内构件的不够完善，填料塔大多局限于处理腐蚀性介质或不宜安装塔板的小直径塔。今年来由于填料结构的改善，新型的高效、高负荷填料的开发，既提高了塔的通过能力和分离效能，又保持了压力降小及性能稳定

13、的特点，因此填料塔已被推广到所有大型气液操作中。在某些场合，还代替了传统的板式塔。随着对填料塔的研究和开发，性能优良的填料塔必将大量用于工业生产中。 有效传质要求液体与气体或蒸汽保持紧密接触，即两相必需逆流流动且在填料塔的整个横截面上尽可能分布均匀。保证液体在填料表面与逆流气体在接口处有最大的接触面积，填料表面要充分润湿。因此，填料的形状和结构，相负荷，和所考虑到的系统的物性参数是传质强度的决定因素。在填料塔中，塔内装有一定段数和一定高度的填料曾，液体沿填料表面呈膜状向下流动，作为连续相的气体自下而上流动，与液体逆流传质。两相的组分浓度沿塔高呈连续变化。19第二章 填料选择2.1 填

14、料的选择及物料选择填料的选择包括确定填料的种类、规格及材质等。所选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低。填料的种类很多，大致可分为实体填料和网体填料两大类。实体填料有环形填料（如拉西环、鲍尔环及阶梯环）和鞍形填料（如弧鞍、矩鞍）以及栅板、波纹板填料。网体填料主要是由金属丝网制成的各种填料，如鞍形网、网、波纹网填料等。按填料的填装方法又可分为乱对填料及整砌填料。各种颗粒型填料多属于乱堆填料，如拉西环、鞍形、网环。属于整砌填料的是各种新型组合填料，如波纹板、波纹网。但在100mm 以上的大尺寸的拉西环在填料中也采用整砌方式。2.1.1 填料及堆积方式的选择1、散堆填料。目前散堆填

15、料主要有环形填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料。所用的材质有陶瓷、塑料、石墨、玻璃及金属等。拉西环填料拉西环填料于1914年由拉西F. Rashching发明为外径与高度相等的圆环。如图片拉西环所示。拉西环填料的气液分布较差、传质效率低、阻力大、通量小、目前工业上已较少应用。(1)、鲍尔环填料如图片鲍耳环所示。鲍尔环是对拉西环的改进，在拉西环的侧壁上开出两排长方形的窗孔，被切开的环壁的一侧仍与壁面相连，另一侧向环内弯曲，形成内伸的舌叶，诸舌叶的侧边在环中心相搭。鲍尔环由于环壁开孔，大大提高了环内空间及环内表面的利用率，气流阻力小，液体分布均匀。与拉西环相比，鲍尔环的气体通量可增加50%以上，

16、传质效率提高30%左右。鲍尔环是一种应用较广的填料。 (2)、阶梯环(Stairs wreath)填料如图片阶梯环所示。填料的阶梯环结构与鲍尔环填料相似，环壁上开有长方形小孔，环内有两层交错 45°的十字形叶片，环的高度为直径的一半，环的一端成喇叭口形状的翻边。这样的结构使得阶梯环填料的性能在鲍尔环的基础上又有提高，其生产能力可提高约10%，压降则可降低25%，且由于填料间呈多点接触，床层均匀，较好地避免了沟流现象。阶梯环一般由塑料和金属制成，由于其性能优于其它侧壁上开孔的填料，因此获得广泛的应用。 (3)、矩鞍填料如图片矩鞍填料所示。将弧鞍填料两端的弧形面改为矩形面，且两面大小不等

17、，即成为矩鞍填料。矩鞍填料堆积时不会套叠，液体分布较均匀。矩鞍填料一般采用瓷质材料制成，其性能优于拉西环。目前，国内绝大多数应用瓷拉西环的场合，均已被瓷矩鞍填料所取代。(4)、金属环矩鞍填料如图片金属换环聚鞍填料所示。环矩鞍填料，国外称为Intalox，是兼顾环形和鞍形结构特点而设计出的一种新型填料，该填料一般以金属材质制成，故又称为金属环矩鞍填料。环矩鞍填料将环形填料和鞍形填料两者的优点集于一体，其综合性能优于鲍尔环和阶梯环，在散装填料中应用较多。图 2-1 常用的几种填料2、规整填料 。规整填料是由许多相同尺寸和形状的材料组成的填料单元，以整砌的方式装填在塔体中。规整填料主要包括板波纹填料

18、、丝网波纹填料、格利希格栅、脉冲填料等，其中尤以板波纹填料和丝网波纹填料所用材料主要有金属丝网和塑料丝网。近年来，又出现了金属孔板波纹填料和金属压延孔板波纹填料。（1）、格栅填料(Space grid filler)是以条状单元体经一定规则组合而成的具有多种结构形式。工业上应用最早的木格栅填料。目前应用较为普遍的有格里奇格栅填料、网孔格栅填料、蜂窝格栅填料等，其中格里奇格栅填料最具代表性。格栅填料的比表面积较低，主要用于要求压降小、负荷大及防堵等场合。 （2）、波纹填料(Ripples filler)目前工业上应用的规整填料绝大部分为波纹填料，它是由许多波纹薄板组成的圆盘状填料，波纹与塔轴的倾

19、角有30°和45°两种，组装时相邻两波纹板反向靠叠。各盘填料垂直装于塔内，相邻的两盘填料间交错90°排列。波纹填料按结构可分为网波纹填料和板波纹填料两大类，其材质又有金属、塑料和陶瓷等之分。金属丝网波纹填料是网波纹填料的主要形式，它是由金属丝网制成的。金属丝网波纹填料的压降低，分离效率很高，特别适用于精密精馏及真空精馏装置，为难分离物系、热敏性物系的精馏提供了有效的手段。尽管其造价高，但因其性能优良仍得到了广泛的应用。金属板波纹填料是板波纹填料的一种主要形式。该填料的波纹板片上冲压有许多f5mm左右的小孔，可起到粗分配板片上的液体、加强横向混合的作用。波纹板片上轧

20、成细小沟纹，可起到细分配板片上的液体、增强表面润湿性能的作用。金属孔板波纹填料强度高，耐腐蚀性强，特别适用于大直径塔及气液负荷较大的场合。此次设计考虑了各方面的因素，选用聚丙烯塑料阶梯环作为填料。2.1.2 填料及堆积方式的选择此次设计选用公称直径DN为50mm的聚丙烯塑料阶梯环，阶梯环还在以往的拉西环、鲍尔环基础上加以改进而发展起来的一种新型填料。阶梯环填料具有气体通量大、流动阻力小、传质效率高等优点，成为目前使用的环形填料中性能最好的一种。堆积方式为乱对填料。图2-2 聚丙烯阶梯环其主要性能参数为：表 2-1阶梯环填料的特性参数公称直径（mm）外径*高*厚（mm）比表面积（m2）空隙率个数

21、堆积密度干填料因子5050*50*1.510091.7%630076130第三章 塔的工艺计算3.1 物料衡算1、液相物性数据（3-32） （3-33） （3-34）故继续修正： （3-35） （3-36） （3-37）清水吸收气相总传质单元数为： （3-38）填料层高度的计算：由： （3-39）根据设计经验，填料层设计高度一般为: （3-40）填料层有效高度取：由于，故填料层不须分段。表 3-1填料层高度计算一览表混合气体的密度3.86相平衡常数47.78溶解度系数0.01146洗涤水耗用量199638操作气速0.49喷淋密度78.59填料层高度4第四章 填料塔的结构设计4.1 填料支承装置

22、支承装置用来支承塔内填料及其所持有的液体质量，故支承装置要有足够的力学强度。同时，为使气体及液体能顺利通过，支承装置的自由截面积应大于填料层的自由截面积，否则当气速增大时，填料塔的液泛将首先在支承装置处发生。另外，要有利于气、液两相均匀分布。填料支承装置有栅板式、升气管式、驼峰式。常用的栅板式由竖立的扁钢条组成。为防止填料从栅板条间空隙漏下，在装填料时，先在栅板上铺上一层孔眼小于填料直径的粗金属丝网，或整砌一层大直径的环形填料。上述的栅板的支承面为平面，这类支承板是气体和液体必须逆向通过一个开孔，常导致板上累计一定高度的液层，甚至在液量很小时也会发生此种现象，造成气液流动阻力很大，而且通道易被

23、第一层卧置的填料堵塞，因而降低了实际的流道面积，随着新型填料的开发，要求性能优良的支承板与之适应。 （5-1）其中对于液体:代入上式可得: 根据管子的标准和考虑介质的腐蚀等原因最终确定管子的尺寸为： 材料选用20#无缝钢管，出液管弯管采用90°弯管。对于气体；气体进出管设计： （5-2）根据管子的标准和考虑介质的腐蚀等原因确定管子的尺寸为：； 此外，对于直径大于1500毫米的塔设备的进气装置应充分考虑气体的均匀分布，为避免液体进入进气管，气孔应向下。本次设计选用标准突面版式平焊钢制管法兰。图 5-1 标准突面版式平焊钢制表5-1液相进出管口法兰数据公称直径钢管外径A法兰外径DK螺栓孔

24、径L螺栓个数螺栓规格d法兰厚度C法兰内径B2502734053552612M2431928276表 5-2气相进出管口法兰数据公称直径钢管外径A法兰外径DK螺栓孔径L螺栓个 数螺栓规格d法兰厚度C法兰内径B3003254604102612M24370323285.2床层限制板填料塔在大压力降下操作，由于气体冲击和负荷波动，如果没有填料压板或床层限制板，金属或熟料填料：因其质量较轻，在流体压力差和冲击作用下，填料层逐渐膨胀升高，以致改变填料层初始堆积状态。这样，当填料层不均匀膨胀后，流体将主要流经阻力较小的区域，因而沟流现象增加，流体不均匀分布加剧，于是降低了塔的效率。有塔设备在操作时主要承受以

25、下几种载荷作用：操作压力、质量载荷、地震载荷、风载荷、偏心载荷。图 6-1 塔设备各种载荷示意图及符号（a）质量载荷；（b）地震载荷；（c）风载荷；（d）偏心载荷6.3 塔设备质量载荷计算质量载荷包括：塔体、裙座质量；塔内件如塔板或填料的质量；保温材料的质量；操作平台及扶梯的质量；操作时物料的质量；塔附件如人孔、接管、法兰等质量；水压试验时充水的质量；偏心载荷。筒体总高度：图 6-2 封头表6-3 以内径为公称直径的椭圆封头的型式和尺寸180450253.65350.8270403.73830.8652503.79490.8906筒体质量：(公称直径，厚度为10mm时，1米高筒节钢板理论质量为

26、)封头质量：取裙座的高度为：取裙座的高度为裙座的质量为： （6-4）则： （6-5）塔内件及填料的质量： （6-6）（填料高度为，填料密度为）保温层厚度：保温层厚度为，密度为保温层质量：图 6-5垂直地震力在设防烈度为8级或9级的地区，塔设备应考虑垂直地震力的作用，一个多质点体系，在地面的垂直运动作用下，塔设备底部截面上的垂直地震力为：如上图6-6所示。 （6-19）代入数据得： （6-20）6.5.1 确定危险截面由于水平地震力的作用下，在塔设备的任意截面-处，基本振型的地震弯矩为:0-0截面为裙座基地截面，h=0m1-1截面为裙座人孔处截面，h=1000m2-2截面为裙座与塔体焊缝处截面,

27、h=2000m则对各截面进行弯矩计算:0-0截面： （6-21）则该截面处的地震弯矩为： （6-36） （6-37） （6-38）则4-5段：操作平台的当量宽度为： （6-39） （6-40） （6-41）则：2、风弯矩的计算本次设计计算截面0-0，1-1以及2-2处的弯矩即可。对于0-0截面：（6-42）对于1-1截面：（6-43）对于2-2截面：（6-44） （6-60）可看出： 则2-2截面上的最大轴向应力满足要求。6.8.3  塔设备压力试验时的应力校核 对塔设备进行水压试验，目的是为了检验容器的宏观强度和有无泄露现象，密封性检验。试验压力引起的周向应力为： （6-78）基础环内径为： （6-79）基础环伸出宽度为： （6-80）则基础环面积为： （6-81）基础环抗弯截面系数为： （6-82）最大质量和操作质量分别为：0-0截面的风弯矩为：0-0截面处的最大弯矩为：偏心弯矩为：基础环材料低碳钢.许用应力为：水压试验时压应力为