分子筛吸附器设计说明书

浙江工业大学浙江工业大学分子筛吸附器设计说明书学院：机械工程学院班级：过控1302学号：201302071301姓名：20160606设计小结 33参考文献 33第一章概述1.1塔设备概论塔设备是化工、石油化工和炼油、医药、环境保护等工业部门的一种重要的单元操作设备。它的作用是实现气（汽）——液相或液——液相之间的充分接触，从而达到相际间进行传质及传热的目的。可在塔设备中完成的常见的单元操作有：精馏、吸收、解吸和萃取等。此外，工业气体的冷却与回收、气体的湿法净制和干燥，以及兼有气液两相传质和传热的增湿、减湿等。塔设备应用面广、量大，其设备投资费用占整个工艺设备费用的较大比例。在化工或炼油厂中，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等各个方面都有重大的影响。因此，塔设备的设计和研究受到化工、炼油行业的极大重视。为了使塔设备能更有效、更经济地运行，除了要求它满足特定的工艺条件外，还应满足以下要求：1.气液两相充分接触，相际间传热面积大；2.生产能力大，即气液处理量大；3.操作稳定，操作弹性大；4.阻力小；5.结构简单，制造、安装、维修方便，设备的投资及操作费用低；6.耐腐蚀，不易堵塞。塔设备的分类：1.按操作压力分有加压塔、常压塔及减压塔；2.按单元操作分有精馏塔、吸收塔、介吸塔、萃取塔、反应塔、干燥塔等；3.按内件结构分有填料塔、板式塔。1.2分子筛吸附器的主要结构在塔设备的类别中，由于目前工业上应用最广泛的是填料塔及板式塔，所以主要考虑这两种类别。填料塔的总体结构见装配草图。由图可见，填料塔除了各种内件之外，主要由塔体、支座、人孔或手孔、除沫器、接管、吊柱及扶梯、操作平台组成。a.塔体塔体即塔设备的外壳，常见的塔体由等直径、等厚度的圆筒及上下封头组成。对于大型塔设备，为了节省材料也有采用不等直径、不等厚度的塔体。塔设备通常安装在室外，因而塔体除了承受一定的操作压力（内压或外压）、温度外，还要考虑风载、地震载荷、偏心载荷。此外还要满足在试压、运输及吊装时的强度、刚度及稳定性要求。本设计分子筛吸附器4.1MPa，采用等直径等厚度型式。b.支座塔体支座是塔体与基础的连接结构。因为该塔设备较高、重量较大，为保证其足够的强度及刚度，故采用裙式支座。c.人孔及手孔为安装、检修、检查等需要，本初馏塔体上设有人孔。d.接管用于连接工艺管线，使塔设备与其他相关设备相连接。本初馏塔的主要接管见草图。e.吊柱安装于塔顶，主要用于安装、检修时吊运塔内件。此外，还有法兰等其他结构。第二章分子筛吸附器基本结构的设计2.1设计条件已知给定设计条件如下：工作介质：天然气塔径：1800mm工作参数：最高工作压力4.1MPa，最高工作温度260℃开口及接管根据现场确定。地震基本烈度为7度，基本风压0.30KN/m2。2.2材料的选择2.2.1筒体和封头材料的选择在刚度或结构设计为主的场合，应尽量选用普通碳素钢。在以强度设计为主的场合，应根据压力、温度、介质等使用限制，选用Q345R系列的碳素钢。由于容器设计压力为4.51MPa，使用温度为280℃，故筒体和封头都选用Q345R的钢板。由于椭圆形封头吸取了半球形封头受力好和蝶形封头受力浅的优点，且椭圆部分经线曲率变化平滑连续，应力分布比较均匀，所以选择椭圆形封头。2.2.2裙座材料的选择裙座不直接与塔内介质接触，也不承受塔内介质的压力，因此不受压力容器用材的限制。可选用较经济的普通碳素结构钢。故也选用Q345R。2.2.3接管的材料选用接管用16Mn锻件，法兰选用16Mn锻件。具体将在装配图上注明。2.3塔常规设计2.3.1筒体设计3.1.2厚度计算（1）圆筒厚设计压力P=4.51MPa，设计温度t=280℃筒体和封头材料均选Q345R查GB150.2—2011中表可得：，a.对于筒体：考虑采用双面对接焊，全部无损探伤，焊接接头系数取Φ=1，筒体计算厚度腐蚀裕量取3mm筒体设计厚度对Q345R，钢板负偏差C1=0.3mm。因而可去名义厚度，对低合金钢制的容器，规定不包括腐蚀余量的最小厚度不小于3mm，若加上2mm的腐蚀余量，名义厚度至少取32mm,由钢材标准规格，名义厚度取32mm.经检查当时，无变化，故合适。（1）筒体的高度筒体的高度是指从塔体上封头切线到塔体下封头切线之间的高度。根据提供的参数直径是1800mm,设备的容积是15立方米，故计算出筒体高度为5300mm。2.3.2封头设计（1）椭圆形封头根据GB/T25198-2010，选用EHA1800×30—Q345R型号封头。如图2-1。图2-1表2.1EHA椭圆形封头参数公称直径DN/mm总深度H/mm内表面积A/mm2容积V/mm3直边高度h/mm质量m/kg18005075.21.6251325对于封头：查表4-16可得封头计算厚度：QUOTEQUOTE同样可取封头名义厚度为32mm，其中C1=0.3，C2=3mm。（2）裙座壳厚度取裙座壳有效厚度14mm，其名义厚度为16mm。2.3.4填料支撑梁的设计当塔体填料必须设置主梁时，应设法尽量减少主梁高度，以减少它对工艺操作的影响，并要求在安装时，人员能从梁底下通过。2.3.5人孔人孔的设置应便于人员进入塔体。塔体上封头带法兰盖开孔人孔。人孔法兰的密封面型式及垫片用材，一般与塔的接管法兰相同。采用对焊法兰人孔。人孔深入塔内部分应与塔的内壁修平，其边缘须倒棱或磨圆。设计人孔尺寸为Φ500mm。2.3.6接管（1）原料气入口原料气入口的结构，要能防止液体淹没气体通道，并防止固体颗粒的沉淀。原料气入口的工程直径为100mm。伸出的长度为200mm。管直径选择Φ146x25规格锻管。（2）釜液排污口釜液从塔底出口管流出时，会形成一个向下的漩涡，使塔釜液面不稳定，且能带走气体。塔釜出口应设置防涡流挡板，见施工图。釜液出口管直径选择Φ46x14mm规格锻管。引出孔的加强管上，一般应焊支撑板支撑。裙座上应开设检查孔，选圆形的检查孔，数量一个。引出孔、检查孔的加强管与裙座壳的连接应采用全焊透结构。（3）其他接管选型a.塔顶装料孔：DN500b.塔体卸料孔：DN250c.塔顶原料气出口：DN1002.3.7管法兰（1）根据法兰标准欧洲体系HG/T20592-2009和HG/T20615-2009法兰的选用，选择带颈对焊钢制法兰，采用凹面连接型式。如图2-4。图2-4表2.3管法兰尺寸表管口原料气入口原料气出口人孔，装料孔卸料孔排污口检查孔排气口公称直径DN1001005002502050065管外径14614656835746法兰外径D250250775470130螺栓孔中心圆直径K200200685.840090螺栓孔直径L2626363618螺栓孔数量n8824124螺纹ThM24M24M33M33M16法兰厚度C3030624622法兰颈N13813858731642SH11212188R88124法兰高度H787816012548法兰重量9.59.5167.5482f254.54.554.5f343.53.543.5注：以上数据按照法兰HG/T20592-2009和HG/T20615-2009标准选取。（2）垫片选择垫片是螺栓法兰连接的核心，密封效果的好坏主要取决于垫片的密封性能，选缠绕垫片。表2.6公称直径内环内径缠绕垫内径缠绕垫外径外环外径缠绕垫厚度内外环厚度1001161281481744.531001161281481744.53500500525.5577.96534.532502762883163644.5320273345724.53（3）紧固件的选择根据标准HG/T20613-2009和HG/T20634-2009，密封面型式是凸面。螺柱材料35CrMoA，螺母材料30CrMo。2.4塔设备的附件2.4.1除沫器在塔内操作气速较大时，会出现塔顶雾沫夹带，这不但造成物料的流失，也使塔效率降低，同时还可能造成环境污染。为了避免这种情况，需在塔顶设置除沫器，从而减少液体夹带损失，确保气体的纯度，保证后续设备的正常操作。这里我们选择丝网除沫器，它有比表面积大，重量轻，空隙率大以及使用方便等优点。2.4.2吊环安装在室外，无框架的整体塔设备，为了安装和拆卸内件，更换或补充填料，往往在塔顶设置吊环2.4.3裙座的高度裙座的高度是指从塔底封头切线到基础环之间的高度。具体尺寸如下图2-2所示，裙座的全部高度有V和U相加和得到。其中U由工艺决定，在此分子筛吸附器设计中可以取裙座总高为1500mm。图2-2塔的总高度:H=1500+5300+507=7307mm第三章强度和稳定性计算3.1厚度计算校核3.1.1厚度计算过程步骤安装在室外的大型塔设备——分子筛吸附器，除受操作压力作用外，还受设备自身质量引起的重力，地震、风载荷等的作用，而引起的轴向应力。从而可能使轴向组合应力，大于设计压力而引起的环向应力，而使设备因轴向应力过大而破坏。因此我国NB/T47014—2014《塔式容器》规定对高度大于10m，且高度与直径之比大于5的裙座自支承塔式容器，按设计压力计算确定塔壳的圆筒和封头的有效厚度后，再根据地震、风载荷的需要，并考虑制造、运输、安装的要求，设定一个不得小于按压力计算的圆筒有效厚度δes，且δes应不小于6mm。然后进行载荷计算，圆筒应力校核和裙座计算，校核设定的δe、δes是否合适，以确保塔式设备的环向、轴向强度和稳定性。3.2设备校核计算kg/m31000mm100012345mmmmmm12345mm7000mm3000kg/m330012345kgmmmm1.2N/m20mm500mm100kg/m3300mm0kg/m30mm100mm100180I1B7度(0.1g)第二组地震影响系数最大值max0.080.011mm1200mm3000mm3000裙座圆筒形mm1800对接mm2000Q345R℃0mm2mm16MPa189裙座与筒体连接段的材料裙座与筒体连接段在设计温度下许用应力MPa裙座与筒体连接段长度mm2mm1000mm500mm12裙座上较大孔引出管长度mm250Q235MPa14716mm2432mm294.11mm70mm12mm100整块mm40mm16mm0有mm27mm12mm50mm1976mm1656mm2032324.70132324.66432324.701裙座1616风载及地震载荷0－0A－A裙座与筒体连接段1－1(筒体)1－1(下封头)2－23－322667.321767.419755.319755.31624215342.1133301333031382.830482.913330133300000顺风向弯矩顺风向弯矩0000注:计及高振型时,此项按B.24计算532900004222000031360000313600000000需横风向计算时53290000422200003136000031360000000070.7170.712.872.841.191.191.531.230.430.430.810.81109.76109.763.973.980.810.810.000.000.000.00[]t189.00189.00148.60148.60B152.49152.49117.23117.14组合应力校核(内压),(外压)69.9569.95178.32178.32(内压),(外压)4.404.071.241.24182.99182.99140.67140.57108.95108.95292.50292.503.973.980.810.81152.49152.49170.51117.14224.82224.82292.50292.50合格合格合格合格mm3383821000mm2912820Nmm934.186mm6.17合格MPa0.38MPa0.00MPa0.00MPamm0mm20.752地脚螺栓承受的最大拉应力小于零,塔器可以自身稳定，地脚螺栓仅起固定作用MPa0.00MPa0.00合格MPa0.00MPa147合格kg19755.3Nmm31358100mm277471.6mm334862200MPa-1.60MPa106.992合格mm2mm3MPaMPaMPaMPamm16mm315140800000mm7807kg10949.3kg2189.86kg0kg965.059kg2137.75kg6425.31kg15140.8kg13139.2kg22667.3kg16242kg31382.8mm4117.24s0.57ss临界风速(第一振型)临界风速(第二振型)雷诺系数设计风速N0N11105.9mm0MPa注：内件质量指塔板质量；填料质量计入物料质量；偏心质量计入直立容器的操作质量、最小质量、最大质量中。第四章开孔补强4.1补强的判据安装接管要在容器上开孔，这就削弱了器壁的强度，在壳体和接管的连接处，因结构的连续性被破坏，会产生很高的局部应力，给容器的安全操作带来隐患。所以需要开孔补强。比较几种开孔补强的方法，由于母材为Q345R系列，我们采用补强圈补强，由于接管的加厚部分正处于最大应力区域内，能有效降低应力集中系数，而且补强的结构简单。焊缝少，补强效果比较好，锻件补强由于制造成本我们在此没有必要考虑。而厚壁管补强我们也可以选用。当设计压力小于或等于2.5MPa的壳体上开孔，而相邻开孔中心的间距大于两孔直径之和的两倍，且接管工称外径小于或等于89mm时，只要接管最小厚度满足要求，就可不另行补强。需要另行开孔补强的开孔为：4.2排污口补强（接管Φ46x14）开孔直径接管许用应力强度削弱系数接管有效厚度开孔所需补强面积a.有效宽度Bb．有效高度外侧有效内侧有效c.封头多余金属面积d.接管多余金属面积接管计算厚度接管多余面积e.接管区焊接面积（焊脚取6.0mm）f.有效补强面积>A不需要补强。4.3原料气入口的补强（接管Φ146x25）开孔直径强度削弱系数接管有效厚度开孔所需补强面积a.有效宽度Bb．有效高度外侧有效内侧有效c.封头多余金属面积d.接管多余金属面积接管计算厚度接管多余面积e.接管区焊接面积（焊脚取6.0mm）f.有效补强面积>A不需要补强。4.4卸料孔补强（接管Φ357x50）开孔直径强度削弱系数接管有效厚度开孔所需补强面积a.有效宽度Bb．有效高度外侧有效内侧有效c.封头多余金属面积d.接管多余金属面积接管计算厚度接管多余面积e.接管区焊接面积（焊脚取6.0mm）f.有效补强面积>A不需要补强。4.5人孔补强（接管Φ568x50）开孔直径强度削弱系数接管有效厚度开孔所需补强面积a.有效宽度Bb．有效高度外侧有效内侧有效c.封头多余金属面积d.接管多余金属面积接管计算厚度接管多余面积e.接管区焊接面积（焊脚取6.0mm）f.有效补强面积>A不需要补强。第五章主要零部件的制造工艺5.1筒体制造其主要工序包括：原材料准备，划线，切割，弯曲，成型，边缘加工。1原材料准备原材料定义为工件材料（各种钢材、锻件、铸件等）和焊接材料（焊条、焊丝、焊剂等）。其准备步骤包括：原材料的验收和管理；（2）钢材的净化，包括焊口处的净化、涂漆及衬里表面的清理，净化对象是油、锈、氧化膜，净化方法采用手工净化或机械净化；（3）用弯曲法对钢材进行校正。2.划线（1）展图，用计算法将正圆柱面展开成一矩形，L*B=（Di+2δ）*H号料：1）余量:正式划到钢材上的尺寸A=A1+A2+A3－A4A1：切割时的加工余量，一般留2～3mm；A2：切后刨边余量，留约5mm；A3：焊缝收缩余量；A4：焊缝组队时留的间隙。2）样板划线：用纸板制成样板再在钢板上作图；3）排样；4）标号。3.切割，即下料用等离子切割；4.边缘加工，加工出符合要求的破口形式；5.弯曲，即对钢板进行卷板，卷板后用电焊筋板固定，以防钢板变形；6.焊接；7.热处理；8.无损检测；9.总检。5.2封头1．原材料准备（1）材料的验收与管理；（2）钢材的净化；（3）用弯曲法对钢材进行矫形。2.划线（1）展图，依变形近似法中的等面积法，标准椭圆封头的中心直径为D，直边为h；（2）号料。3.切割，即下料用等离子切割；4.边缘加工，加工出符合要求的破口形式；5.由于封头DN=1800mm，采用整体冲压成型，且冷冲为好；6.热处理；7.无损检测；8.总检。5.3塔设备的制造1.塔盘板长度偏差不得超过－4至+0之间，宽度偏差不得超过+0至－2之间。2.塔盘板需要维持一定的水平度，否则将影响气液的分布。除在制造及安装中会引起偏差外，且因塔盘板的自重，液体负荷以及塔体弯曲及局部不平整在整个板面外均不得超过2mm；在安装后，塔盘板水平在整个面上的偏差fm不得超过4mm。3.为了保证塔盘的水平度，支持圈的表面水平度亦有一定的要求，在300mm旋长的表面上，局部水平度不超过1mm，总的水平度的允许偏差与塔盘相同，相邻两支持圈间距的偏差不超过±20mm。4.支持圈的表面与主梁及支持梁的表面应在同一表面上，两表面的最高与最低只差不得超过±3mm。5.溢流堰顶的水平度对塔盘板的操作及效率均有影响，故堰顶的不平度不超过堰宽的1/1000，且不大于3mm。6.降液班安装后，其下端与受液盘距离E的偏差为±3mm。7.塔体弯曲度应小于1/1000塔高，塔体最大弯曲度为，但塔高大于20mm，不得超过30mm，塔体安装垂直度偏差应小于1/1000塔高，且不大于15mm。8.塔体在同一断面上的最大直径与最小直径：对常压塔e<10%Dg。9.接管一般在塔体安装好以后进行，在安装后要检查塔的位置和塔的方位是否正确，个管口的高度偏差一般均在±6mm以内。5.4塔体的制造技术条件的规定1.制造用的原材料：应符合各项要求，如设计要求GB150-2011，对入厂的材料进行检查和验收，如有必要可进行复检。2.加工和成型：塔体材料在加工过程中，标记应保留。必要时，应将标记转移到工件上，并保证转移标记的正确、无误、清晰、耐久。3.焊接和切割：塔体上开孔应尽量不安排在焊缝及其临近区域，焊接采用电弧焊。4.焊后热处理：应符合GB150-2011的有关规定。心得体会通过这次课程设计，让我更加深刻了解课本知识，和以往对知识的疏忽得以补充，在设计过程中遇到一些模糊的公式和专业用语，在使用手册时，有的数据很难查出，但是这些问题经过这次设计，都一一得以解决，我相信这本书中还有很多我为搞清楚的问题，但是这次的课程设计给我相当的基础知识，为我以后工作打下了严实的基础。我感觉到这些天我的所学胜过我这一学期所学，这次任务原则上是设计，其实就是一次大的作业，是让我对课本知识的巩固和对基本公式的熟悉和应用，使我做事的耐心和仔细程度得以提高。课程设计是培训学生运用本专业所学的理论知识和专业知识来分析解决实际问题的重要教学环节，是对三年所学知识的复习和巩固。同样，也促使了同学们的相互探讨，相互学习。因此，我们必须认真、谨慎、踏实、一步一步的完成设计。如果时间可以重来，我可能会认真的去学习和研究，也可能会自己独立的完成一个项目，我相信无论是谁看到自己做出的成果时心里一定会很兴奋。此次设计让我明白了一个很深刻的道理：团队精神固然很重要，担人往往还是要靠自己的努力，自己亲身去经历，这样自己的心里才会踏实，学到的东西才会更多。课程设计是一个重要的教学环节，通过课程设计