毕业设计（论文）-水吸收氨气填料吸收塔的设计

目录主要符号说明: .工艺设计3.1设计方案的确定该填料塔中氨气和空气混合后经由填料塔的下侧进入填料塔与从填料塔顶流下的清水逆流接触在填料的作用下进行吸收。经吸收后的混合气体由塔顶排除吸收了氨气的水由填料塔的下端流出。工艺流程图1所示。图1：水吸收氨气工艺流程图3.2填料的选择本次设计选择经济性能好，质量小，传质效率高的聚丙烯塑料阶梯环。3.3工艺计算3.3.1基础物性数据混合气体平均密度空气黏度3.3.2物料衡算在水吸收氨气的工艺中，氨气从吸收塔的塔底进入，经过处理后的氨气（含量非常小）从塔顶尾气排出管排出，液体从塔顶流入经过气液两相在填料上充分接触后，塔底的高浓度吸收液从塔底物料出管道排出，从而完成吸收过程，下图2是对吸收塔做的物料衡算分析图及低浓度吸收时满足的操作线图。图2：物料衡算图操作线方程：同时有图解得最小气液比20℃101.3Kpa下混合物料数据如下：，氨气在水中的溶解度系数既有故设操作线方程为=1\*ROMANI混合气体总流量：=2\*ROMANII混合气体中氨气的流量：=3\*ROMANIII尾气中含氨气的流量:=4\*ROMANIV进气中含氨气的摩尔浓度：=5\*ROMANV气体回收率：=6\*ROMANVI进气摩尔分数比：=7\*ROMANVII出气摩尔分数比:=8\*ROMANVIII进塔惰性气体比：吸收过程属低浓度吸收平衡关系为直线最小液气比可按下式计算：=9\*ROMANIX最小液气比：取操作气液比为最小气液比的1.5倍：

出塔液含氨气摩尔分数比:即可得到吸收剂的用量：

3.4塔径计算气体密度填料选用情况：选用的聚丙烯阶梯环填料其主要参数如下表2：填料名称规格A(填料常数)阶梯环132.50.9157.51150.204表2：填料参数采用贝恩霍夫泛点关联式：得到：取泛点率为0.6即空塔气速为：圆整后取0.8m3.5泛点率校核（在允许范围内）3.6填料规格校核填料规格满足条件3.7填料层高度计算传质单元高度计算：气相及液相的单位时间单位面积的质量流速为：因此有气相传质系数为：同理有液相传质系数：带入上面各值有将得到的传质系数换算成以摩尔分数为推动力的的传质系数于是有：是水溶液的总摩尔浓度单位塔界面气体流量考虑实际偏差取1.5倍的,既有传质单元数的计算：实际填料层取圆整后的值为,因此不需要分段。3.8塔附属高度计算塔的上部空间高度，可取1.2m，由于填料层高度为5m,填料层不需要分段，因此不设置液体再分布器，塔底液相停留时间按5分钟计算，则塔釜液所占空间高度为因此塔的附属高度可以取1.7m近似为2m,即塔高为7m3.9吸收塔的压降计算=1\*ALPHABETICA，气体出口压力降取气体出口接管的内直径为360mm，则气体进口出流速近似为,因此气体进口压降为气体出口压降为=2\*ALPHABETICB，填料层压降计算采用Eckert通用关联图计算填料层压降如下图3所示气体流速为横坐标纵坐标图3—填料塔范点压降关联图查图得知填料层压降为每米420pa故填料层总压降为=3\*ALPHABETICC,塔内其它内件压降较小故可以忽略因此有4机械设计4.1液体分布器的简要设计液体分布器的种类多样，主要有喷头式、盘式、槽式及槽盘式等。工业上以管式及槽式和槽盘式为主。由于液量较大，槽式分布器具有较好的抗污能力及良好的操作弹性在化工工业中应用十分广泛，这里也选选用槽式液体分布器。4.2.液体分布器的设计4.2.1槽宽计算分布器工作时液体子先流入主槽，然后靠液位与主槽的矩形齿或三角形齿流入分槽。液体分布器的安装一般高于填料层200mm300mm（取节于操作弹性），槽式液体分布器的主分槽高度均区150mm,分槽宽度取40mm,分槽中心距取200mm。主槽宽度为塔径的0.70.8倍，这里取0.7倍，既有主槽宽：。4.2.2分布点密度计算分布点按照:推荐值选取，Eckeret推荐值如下表3：塔径D/mm分布点密度/()500mm330750mm170≥1200mm42表3：Eckeret分布点推荐值表按照Eckeret推荐值，当D=800mm时，可取喷淋点密度为120点/每平方米则布液点数为取整为61个。4.2.3布液能力计算本塔选用中力型液体分布器，应按以下公式计算:上式中——液体流量开孔数——开孔系数——通常取孔径——m开孔上放的液位高度——m取=0.57；=170mm设计取取=10mm塔径mm喷淋槽分配槽槽宽mm数量中心距mm数量8003042001表4：液体分布器参数表4.3丝网除沫器在他内操作气速较大时，会出现塔顶雾沫夹带，这不但会造成物料损失，同时是塔的效率降低，还可能造成环境污染。为了避免这种情况，需要在塔顶设置除雾沫装置，从而减少流体的夹带损失，确保气体纯度，以保证后续设备的正常运行。常用的出雾沫装置有丝网除沫器、折流板除沫器以及旋流板除沫器。由于丝网除沫器具有比表面积大、重量轻、孔隙率大以及方便使用等特点，因此在这里我们选用丝网除沫器。如图4如图4：全径型丝网除沫器本装置根据选用上装式丝网除沫器（外形尺寸如下表4）:表4：全径型丝网除沫器外形尺寸公称直径DN主要外形尺寸（mm）重量（Kg）HH1D丝网格栅及定距杆支撑件800mm1002187208.868.469.884.4填料支承设备填料支承结构用于支承塔内填料及其所持有的气体和液体的重量之装置。对填料的基本要求是有足够的强度以支承填料的重量;提供足够的自由截面以使气液两相流体顺利通过防止在此产生液泛有利于液体的再分布耐腐蚀易制造易装卸等。常用填料支承板有栅板式和气体喷射式。这里选用驼峰支撑。其外形为图5；具体尺寸为表4,5；连接驼峰板卡子图6。如图5：驼峰支撑板表4：支撑板波纹尺寸塔直径mm波形波形尺寸()见图3.2.2-1~3材料300142400—800192900—400300表5：DN800支撑板结构示意图塔径（DN）支撑板外径支撑板分块数支撑圈厚度支撑圈宽度连接卡子代号800mm780mm34010JB1119—81卡子K10B图6—卡子结构图安装要求：=1\*GB3①支撑板安装前因清理板上的油污铁锈。=2\*GB3②支撑板的装配定位：梁中心线应通过塔体在次面上的中心线其偏差不得超过。=3\*GB3③主支撑梁安装后其上表面与支撑圈上表面因在同一水平面上，该平面的水平度偏差应小于。4.5填料压紧装置为保持操作中填料床层为一高度恒定的固定床从而保持均匀一致的空隙结构。使操作正常稳定在填料安装后在其上方要安装填料压紧装置。这样可以防止在高压降瞬时负荷波动等情况下填料床层发生松动和跳动。填料压紧装置适用于轻质易碎填料。本次设计的填料是聚丙烯阶梯环所以选择填料床层限位器。右图7为分块式床层限位器（网板式填料压板）:栅格间距通常取填料直径的倍，这里取0.7倍，栅格间为：，取整后取栅格间距为，限制器的直径取，分为三块。图7：填料压紧装置4.6裙坐设计及选型裙座的形式根据承受载荷的情况不同，裙座可分为圆锥形和圆筒型两种结构。圆筒形裙座制造简单，经济上合理，故应用广泛。但是其受力情况较差，当塔径小且很高的塔体（如类似塔体的当量直径和塔高，且,或，且），为防止风载荷或地震载荷引起的弯矩造成塔体倒塌失效，则需要配置较多的地脚螺栓及具有足够大承载面积的基础环。此时圆筒形的裙座已经不能满足要求，这是应该选择圆锥形裙座。但是无论圆锥形和圆筒型均有群座筒体，基础环，地脚螺栓，人孔，排气孔，引出管道等组成。由于裙座与介质不直接接触，可以选用较为经济的碳素钢材料。在此设计中选用圆筒形裙座。其结构如下：（左）裙座与塔体的焊缝可分为对接焊和搭焊，在本次设计中塔体和裙座的材料都为，采用对接焊，因此有裙座的筒体的外径和塔体的外径一致，焊缝为全熔透连续焊，结构如下图（右）图8：圆筒形裙座结构4.7塔体人孔设置及选型化工设备如储罐，塔等设备通常为了安装及检修方便常设置人孔。本次设计为了填料安装及以后的检修方便这里设置3个人孔，具体安装安装配图进行。选用标准：材料：密封材料：石棉橡胶垫片图9：人孔结构图1——筒节2——法兰3——垫片4——盖板5——螺栓6——螺母7——把手表6：人孔尺寸表(mm)密封形式公称直径DD1Bb1FR40051548025014表6：人孔尺寸续表b2H1螺栓数量螺栓尺寸总质量(Kg)101609037.0人孔安装在塔体裙座800mm处和塔体8000mm处4.8塔体进出口物料接管设计=1\*GB2⑴液体进料管物料进出塔时应有进料口和出料口，并且进料管道和出料管道与主管道有相应的连接常用的连接有焊接和法兰连接，由于水为清洁液体，在水吸收氨气的时候物料一般比较清洁故设备不用经常拆装进行检修，因而本设计中的连接方式采用焊接，既直接将接管和塔设备焊接一起。液体进料管的设计应该满足以下要求：=1\*GB3①液体不直接加到塔盘的鼓泡区；=2\*GB3②尽量是液体均匀的分布；=3\*GB3③接管的安装高度因该不影响塔盘上液体的流动；=4\*GB3④液体中含有气体是应想尽办法排除；=5\*GB3⑤管内允许的流苏一般不超过。而常见的进料管有直管和弯管两种，这里选用直管进料。其尺寸如下表7表7：液体进料尺寸表()伸出长度10015100456150100=2\*GB2⑵气体进料管，气体出料管，液体出料管表8：气体进料管，气体出料管，液体出料管表()接管尺寸材料伸出长度连接方式气体进料100焊接气体出料100焊接液体出料100焊接4.9塔体圆筒与封头的设计=1\*GB3①筒体材料的选取。该塔工作温度为293K,属于常温，设计压力为101.3KPa,属于常压，塔体内径为800mm,塔体高度为7000mm。介质氨气有轻微的腐蚀性，由于氨气有毒属于中毒危害气体，因此这里设计选用强度较好的高合金钢，在设计温度下其许用应力，，腐蚀余量为.采用全熔透双面焊，全部无损检测，焊缝接头系数为。=2\*GB3②筒体厚度。有工艺计算得知，塔内径，塔高设计厚度：考虑到受到风载荷、地震载荷、介质压力等作用下，取名义厚度有效厚度：=3\*GB3③封头厚度。采用标准椭圆封头，材料和筒体材料相同也为。封头厚度：设计厚度：取名义厚度：有效厚度：4.10塔体外附件为了塔体正常的操作，设备安装，工人检修塔体要设计扶梯和操作平台，本设计中设计扶梯为笼式扶梯，两个操作平台，其中操作平台为钢制平台，平台为2m宽的钢制圆环，其分别设在塔体4m处和8m处。5校核5.1塔体质量载荷计算=1\*GB3①圆筒壳、裙座和封头的质量：=2\*GB3②附属件的质量：=3\*GB3③保温层质量：本此设计的是常温常压水吸收氨气吸收塔因此可以不要保温层，既有=4\*GB3④填料层质量：=5\*GB3⑤平台扶梯的质量（本次设计选用扶梯为笼式扶梯）：在计算平台扶梯的质量时，参考标准见表9表9：平台质量估算表名称笼式扶梯开式扶梯钢制平台圆泡罩塔盘塑料阶梯环密度质量载荷4015-215015061.6=6\*GB3⑥物料质量：塔中持液量：塔底持液量：封头中液体：符号说明：液体密度；为填料比表面积；为封头这算城圆筒时当量深度，由于封头为标准椭圆形封头器长短轴比满足，而塔径为0.8m既有m从而得知。表10：塔设备质量表0-0截面塔体的质量沿高度均匀分布右图是塔受的质量载荷。1-1截面2-2截面3-3截面设备质量操作质量5.2塔体的基本自振周期计算本此设计为等直径，等厚度的塔，质量沿高度均匀分布，则计算模型经常简化为顶端自由、底部固定、质量沿高度均匀分布的的悬臂梁，塔体的第一自振子周期采用如下公式进行计算：式中——全塔操作质量；——塔体高度；——材料的弹性模量；——塔筒体有效厚度；——塔体内径5.3风载荷及弯矩的计算安装在室外的塔设备将受到风力的作用。风力除了是塔体产生应力和变形外，还可能是塔设备产生顺风的振动（纵向振动）及垂直风向的诱导振动（横向振动）。工大的塔体应力会导致塔体的强度及稳定性失效，而太大塔体挠度会导致塔体流体分布不均匀从而使分离效率下降。因此在设计它是一定要考虑风压对设备的影响。因风载荷是一种随机载荷，因而对于顺风向风力，课是为两部分组成；平均风力和脉动风力。在计算风力时应先将塔设备分段。塔设备的分段：第一段从塔底到人孔中心800mm的压力,第二段从人孔中心800mm到裙座与塔体焊缝连接处2000mm的压力，第三段从焊缝中心2000mm处到第一个操作平台出4000mm的压力，第四段从第一个操作平台4000mm处到塔顶9000mm处的压力。5.3.1风力计算塔设备中第i段的风力计算图因按下面公式进行计算：式中——体形系数；——塔设备第i段的缝针系数——风压高度变化系数；——各地基本风压；——塔设备第i段迎封面的有效直径；——塔设备各段计算高度——各地基本风压=1\*GB3①为空气的密度，采用一个大气压下，时的干空气密度计算既，基本风速取该地区30年难以遇到的10min为时距所得的最大风速。延安地区取最大风速；因而有=2\*GB3②在本次设计中取设计地点为B类地区（郊区、丛林）查表有=3\*GB3③风振系数，风振系数按公式计算式中——为脉动增大系数；——为第i段的脉动影响系数：为塔第i段的振形系数；经过查表有B类地区表11：塔各段取值表段数一二三四0.020.020.060.34表12：脉动增大系数表10204060801001.471.571.691.771.831.88在计算表中时，对于B类地区可直接带入基本风压既；为第一自振周期。因此有，故查表可大致取1.83左右，既有计算时候以第一段为例既有：同理计算得到各段风振系数值如下表：表13：风振系数一览表第一段第二段第三段第四段1.031.031.081.45=4\*GB3④塔设备第i段迎封面的有效直径本次设计为等厚度等直径塔，有效直径可认为全塔一致，有公式有：上式中——为笼式扶梯的当量宽度当无确定的数值时取；——操作平台当量宽度，当无确定数值时取；——为圆筒或圆锥的保温层或防火层厚度，本次设计取0；——管线保温层厚度，本次设计取0；——塔顶管线外直径经过简化计算后的到塔设备各段迎风面的有效直径均为.=5\*GB3⑤体形系数对于等直径等厚度的常温常压塔提醒系数一般取0.7，通过以上对各种参数的计算可以算得各段水平风力如下：5.3.2风弯矩的计算各段水平风力作用在塔体上，将其分段以后，将各段风力对危险截面取力矩，从而计算得出各个危险截面处的弯矩。本次设计中危险截面共有4个，其分别是地基水平面、裙座人孔面、裙座与塔体的焊缝面、塔器筒体上的人孔面。根据各段风力画出塔体收风载荷时的剪力弯矩图，同时这里以计算地基水平面上的风力弯矩为例：表14：风力计算各参数如下表段号第一段第二段第三短第四段塔各段长度/mm0-800800-20002000-40004000-90003000.71.761.00300mm600800120020005000305N456N798N2679.6N0-01-12-23-35.4地震载荷计算塔设备安装后，由于地震产生时可形成一种地震波，通过地壳上的岩石或壤进行传播，地震波分为横波和纵波，不管哪种波形都会对塔设备造成一定的影响，在严重时可能会导致塔设备的倒塌或变形失稳。因此塔设备安装在地震强度为7度或7度以上的地区啊时，要考虑地震对塔设备的影响。地震载荷计算复杂，在本设计中直接根据公式计算地震载荷产生的弯矩。查阅资料得知对于等直径、等壁厚塔设备的任意截面和地基平面的地震弯矩有如下计算公式：（任意截面上地震弯矩计算公式）；（地基平面地震弯矩计算公式）上式中为计算截面距离地面高度；为地震影响系数。本次设计中他高9m,其中全塔操作质量；塔的衰减指数近似取0.9，既有；地震影响系数的最大值（设防烈度为8度）；场地的图样系数；阻尼调整系数近似取1既有。因此地震影响系数按照下面的公式进行计算。带入数值则有由此地震弯矩计算如下：5.5危险截面处的最大弯矩计算=1\*GB3①塔底截面0—0（地震弯矩控制型）=2\*GB3②塔底截面1—1（地震弯矩控制型）=3\*GB3③塔底截面2—2（地震弯矩控制型）=4\*GB3④塔底截面3—3（地震弯矩控制型）将地震载荷汇总得到下表15：表15：地震载荷计算一览表0-0截面塔体在地震作用下受到地震力和地震弯矩，右图为地震弯矩分布图。1-1截面2-2截面3-3截面5.6各项载荷引起的轴向应力=1\*GB3①设计压力引起的轴向拉应力本次设计的水吸收氨气填料塔属于馋呀塔设备，因此外压引起的轴向力太小，可忽略不计，既有：=2\*GB3②由于操作质量引起的轴向压应力0—0截面：1—1截面：2—2截面：3—3截面：以上各式中在后面的计算中会详细给出。=3\*GB3③最大弯矩引起的轴向应力危险截面共有四个，当危险截面为地基平面和焊缝面有截面抗弯系数当危险截面为人孔平面时；;上式中为截面处人孔的抗弯截面系数；为截面处圆筒的内直径；为截面处圆筒的有效厚度；截面处人孔的有效厚度；为人孔内径；为人孔长度；人孔截面处的有效截面积。有前面给过人孔的尺寸，这里直接算出值和值。于是有：0—0截面：1—1截面：2—2截面：3—3截面：经以上计算知道：0—0截面：；校核结果满足要求1—1截面：校核结果满足要求2—2截面：校核结果满足要求3—3截面：校核结果满足要求装配图

结束语本设计主要是对填料吸收塔的工艺尺寸和机械设计进行设计计算，并在此基础上完成主体结构尺寸的确定和零部件的选型设计。根据设计任务书的要求，填料吸收塔的设计中，我参考了大量的文献资料，在设计的时候主要对塔体进行物料衡算，填料塔填料的选型，填料层的高度的确定，塔体的高度计算，筒体封头厚度计算，塔体附件计算与设计，其中包括丝网除沫器的设计，裙座的设计等等。再设计过程中设计思路明确，顺序井然，条理清晰。设计时考虑多种因素包括介质的性质、使用条件等，再选择合适的设计参数，对塔体的材料和结构确定之后还要进行一系列计算。在设计都进行的最后阶段的工作就是校核了，其中校核最为复杂，本次校核采用的简单算法，只对风载荷、质量载荷和地震载荷进行了校核结果都显示满足要求。本设计从选题到完成历时三个多月，期间系统的学习了与毕业设计有关的知识，并查阅了大量的参考文献。学会了运用本专业所学的知识去解决实际问题，同时也基本掌握了设备设计的基本思路，方法与内容，提高了我的