1、南华大学机械工程学院i摘要：填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。填料塔的塔身是一直立式圆筒，底部装有填料支承板，填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安装填料压板，以防被上升气流吹动。液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下。气体从塔底送入，经气体分布装置（小直径塔一般不设气体分布装置）分布后，与液体呈逆流连续通过填料层的空隙，在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。填料塔属于连续接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变化，在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。强度校核部分是本次汽提塔设计中的重点，也是难点，他分为圆筒厚度校核，封头厚度校核，圆筒
2、轴向力校核和圆筒稳定校核，塔设备压力试验时的应力校核，裙座轴向应力校核，基础环和地脚螺栓设计及校核，筋板设计及校核，盖板设计及校核。设计中个部分校核都必须合格，从而保障设计的科学合理性。关键词：填料塔、圆筒、封头、试验、校核南华大学机械工程学院iiAbstract：Tower packing tower packing is based on gas-liquid two-phase contact as a component of mass transfer equipment. The tower is a packed tower has vertical cylinder, equi
3、pped with a filler at the bottom of bearing plates, fill the entire block to huddle or placed in the way of support on the board. Fill the top of the filler plate is installed to prevent air blowing was increased. Liquid from the top of the tower by spraying liquid distributor to fill, and down alon
4、g the filler surface. Into the gas from the bottom, with gas distribution equipment (small-diameter tower generally no gas distribution device) distribution, and fluid was counter-current continuous layer through the gap filler in the filler surface, the gas-liquid two-phase mass transfer in close c
5、ontact to .Packed column is continuous-contact gas-liquid mass transfer equipment, two-phase composition changes in a row along the tower, in the normal operating mode, the gas for the continuous phase, liquid phase for the dispersed phase. Strength checking is part of the design of the stripper in
6、the focus, but also difficult, he check into the thickness of cylinder, checking the thickness of head, cylinder and cylinder axial force checking stability check, the pressure of tower equipment Check stress tests, axial stress check skirt, basic loop and anchor bolt design and verification, design
7、 and verification ribs, cover the design and verification. Parts of the design verification must be qualified in order to protect the design of scientific rationality.Key words: Packed tower cylinder head test check南华大学机械工程学院iii目录引 言 .1第一章 填料塔 .21.1、散装填料 .21.2、规整填料 .21.3、塔内件 .21.4、填料吸收塔 .31.4.1、吸收过程
8、概述 31.4.2、填料塔内气液流动流体力学 31.4.2.1、填料塔内流体流动状况 31.4.2.2、填料塔泛点气速 31.4.2.3、填料塔压降 41.4.2.4、持液量 41.5、填料精馏塔 .51.5.1、填料精馏塔的结构 51.5.2、填料精馏塔结构设计原则 51.6、填料萃取塔 .61.6.1、概述 61.6.2、填料萃取塔的特点 6第二章 填料塔设计指标 62.1、填料尺寸 .72.2、填料塔直径 .82.3、填料层高度 .8第三章 填料塔的附属结构 93.1、 填料支承板 .103.2、 液体分布器 .113.3、 液体再分布器 .123.4、 保温层 .123.5、除沫器 .
9、133.6、裙座 .14南华大学机械工程学院iv3.7、扶梯、操作平台 .163.8、 其他 .16第四章 气提塔的计算及校核 .174.1、筒体厚度计算及工作压力校核 .174.1.1、根据设计压力和液柱静压力确定计算压力 174.1.2、圆筒厚度的计算 174.1.3、圆筒工作压力校核 184.2、封头厚度计算及工作压力校核 .194.2.1、封头厚度的计算 194.2.2、封头工作压力校核 204.3、载荷分析 .214.3.1、塔设备质量载荷计算 214.3.2、 吊柱尺寸 254.3.3、裙座高度设计 264.3.4、自振周期的计算 264.3.5、地震载荷与地震弯矩的计算 274.
10、3.5.2、地震弯矩的计算 304.3.6、风载荷与风弯矩的计算 314.3.6.1、风载荷的计算 314.3.6.2、风弯矩的计算 354.3.7、偏心弯矩 364.3.8、最大弯矩 364.4、强度校核 .374.4.1 圆筒轴向力校核和圆筒稳定校核 .374.4.2、塔设备水压试验时的应力校核 404.4.3、裙座轴向应力校核 404.4.3.1、裙座轴向应力校核 404.4.2、基础环和地脚螺栓及筋板的设计校核 434.4.3、盖板设计及校核 474.4.4、裙座与塔壳的对接焊缝 484.5、其他 .49文献翻译 50参考文献 60结束语 61谢辞 .62南华大学机械工程学院v南华大学
11、机械工程学院第 1 页，共 62 页引 言气提塔是用于气提过程的塔器。气提过程是将某一组分的蒸汽分压增大破坏了原来的蒸汽平衡分压，引发液相中的另一组分从液相中逸入气相的过程，也称蒸汽蒸馏，是一种比较简单的蒸馏方法，常用以蒸馏在常压下沸点较高或在其沸点时易于分解的物料，也常用于高沸点的物料与不挥发的杂质分离。为了实现较为理想的传质过程，往往在管子的另一侧供应热量，使气提组分化合物的分解所需热量得到补充，是一种传热传质类型的塔器。在本设计中设计的是气提塔，本塔的作用是分离重柴油、轻柴油、煤油，在能源分离方面应用广泛。气提原理，就是在设备内通入蒸汽，降低油品的油气分压，将较轻的组分蒸发出去。本质是利
12、用含溶质浓度低的气体与液体接触，由于气相溶质的分压低，使液相溶质向气相传质（拉乌尔定律） 。在设计的过程中，我们根据设计任务书，依据各种设计标准，查阅相关的参考资料、图册和标准文献，从工艺计算、结构设计、强度计算等方面综合分析，设计出结构合理的气提塔。设计包括的主要内容：塔设备的工艺设计（塔内径、塔高、封头、进出口接管及裙座）等。并对其进行强度计算及校核，绘制图纸等。技术方案及路线：首先进行物料衡算和热量衡算，然后进行塔设备的尺寸计算，最后进行强度计算和校核。本设计说明书是在邹芝芳、段小林老师的指导下，在冯晓康教授、卿德藩教授、李启成教授、刘琼老师等各学科老师的精心教育下，由舒莉同学完成的。由
13、于编者掌握的相关设计知识有限，本书内容多有不足和错误之处，恳请各位老师提出宝贵意见，以便我的补充改正，在今后的设计过程中不断进步。南华大学机械工程学院第 2 页，共 62 页第一章 填料塔1.1、散装填料散装填料又称颗粒填料，通常以乱堆形式装填在塔内，故也被称为乱堆填料。包括拉西环及其衍生填料，如勒辛环、十字隔环、三头螺旋环、双头螺旋环、单头螺旋环等。从形状来分，主要分为环形填料、鞍形填料、环鞍形填料、球形填料和其他类型填料。其中环形填料包括拉西环、鲍尔环等；鞍形填料包括矩鞍形填料、半环填料；环鞍形填料包括 IMTP 填料、纳特环和共轭环填料；球形填料包括多面球填料、TRI 球形填料。1.2、
14、规整填料规整填料是一种在塔内按均匀几何图形排布、整齐堆砌的填料，在整个塔截面上几何形状规则、对称、均匀，规定了气液流路，改善了沟流和壁流现象，压降可以很小。在相同的能量和压降下，能较散装填料提供更多的比表面积，在相同容积中也可达到更高的传质、转热效果。同时，由于其结构的均匀、规则、对称性，在与散装填料具有相同的表面积时，其空隙率更大，具有更大的通量，综合处理能力比板式塔和散装填料塔大很多。通过对规整填料的深入研究以及对塔内件（如气液分布器）的精心设计、制造、安装和认真操作等，可以做到工业放大效应不明显。近几十年来，规整填料在精细化工、香料工业、炼油、化肥、石油化工等领域的众多塔器内得到广泛应用
15、。规整填料主要包括金属板波纹填料、非金属板波纹填料和网波纹填料等。1.3、塔内件塔内件是填料塔的组成部分，它与填料及塔体共同构成了一个完整的填料南华大学机械工程学院第 3 页，共 62 页塔。其功能是最大限度发挥填料塔的效率和生产能力，而不是限制填料塔的性能。故塔内件的好坏直接影响整个填料塔的性能。填料塔的所谓“放大效应” ，除填料塔本身固有因素外，塔内件也有很大影响。塔内件主要包括以下几个部分：液体分布装置；填料紧固装置；填料支撑装置；液体收集再分布、防壁流及进出料装置；气体进料及分布装置；除沫装置。1.4、填料吸收塔1.4.1、吸收过程概述利用气体混合物中各种组分在液体溶剂中溶解度的差异，
16、将气体混合物的特定组分转移到液体的过程，即为吸收，是在化工、石油化工、医药、环保等行业中广泛应用的一种化工单元操作过程，吸收中使用的液体溶剂称为吸收剂，被吸收的气体组分称为溶质。1.4.2、填料塔内气液流动流体力学1.4.2.1、填料塔内流体流动状况在应用填料塔作为传质设备的吸收、精馏等分离过程中，气液两相通常以逆流流动的方式进行气液接触。气液逆流填料塔操作时，在填料层内，液体借重力沿填料表面呈膜状流下，气体自下而上地通过填料层流动通道空隙，与填料表面下降液膜之间的交互作用是影响填料层内气液两相流体流动的关键因素，填料塔内流体力学特性主要包括液降、载点、泛点和持液量等。1.4.2.2、填料塔泛
17、点气速自载点以后，气液两相的交互作用越来越强烈。当气液量达到某一定值时，两相交互作用恶性发展的结果会导致液泛现象的出现。此时上升气流对液流的南华大学机械工程学院第 4 页，共 62 页曳力加大到足以阻止液体下流，于是液体充满填料层空隙，气体只能鼓泡上升。在压降曲线上，出现液泛现象的标志是压降曲线近于垂直，压降曲线明显变为垂直的转折点称之为泛点。液泛是填料塔的极限操作状态，正确地估算泛点气速对于填料塔的设计和操作十分重要，直接影响吸收塔送风机的选取和精馏塔底部温度的计算。填料塔的最大操作气速可为泛点气速的95，而经济可靠的最大操作气速泛点的70左右，即在载点左右。1.4.2.3、填料塔压降反映填
18、料层阻力的压降随填料的类型与尺寸不同而变化，通常需要对各种类型尺寸填料进行实测以得到压力降曲线。适用于乱堆颗粒型填料如拉西环、鞍形填料、鲍尔环等，其上还绘制了整砌拉西环和格栅填料两种规则填料的泛点曲线。根据两相流动参数和填料因子或压降填料因子，将横坐标和纵坐标的值算出，即可按等线求出，但在1。ghH3789415.所以取设计压力为 )(26.HdC4.1.2、圆筒厚度的计算筒体材料选用 Q245R。因为 Q245R 塑性和可焊性较好，价格低廉，常用于低压容器的制造。低压容器的圆筒厚度计算式为： CtipD2查过程设备设计第二版表 D1 钢板许用应力，在设计温度为 350，厚度在 616mm 时
19、，Q245R 的许用应力为 =92 ；tMa查过程设备设计第二版表 4-3 钢制压力容器的焊接接头系数 值，为南华大学机械工程学院第 18 页，共 62 页使焊缝紧密，容器正常工作，采用双面焊。无损探测比例选择局部，故焊接接头系数 值取 0.85。将 、 值代入上式得：tCtipD20.6985.2.()m根据钢制压力容器 （GB150-1998）规定：对低合金钢制的容器，不包括腐蚀裕量的最小厚度应不小于 3 。故取 。3m圆筒设计厚度 ，其中 C21C其中 为腐蚀裕量，在无特殊腐蚀情况下，Q245R 属于碳素钢，对于碳素钢和2C低合金钢， 不小于 1 ，故取 =2 ； 为钢材厚度负偏差，使用
20、中钢m21板厚度超过 5mm 时（如 Q245R、16MnR 和 16MnDR 等）可取 =0，1C因 ，其中 。0325dC120Cm从而：圆筒设计厚度 35d由过程设备设计第二版，269 页表 6-3 薄管板的厚度，知：公称直径为600mm 时，管板厚度为 10mm，因此，取圆筒名义厚度为 =10mm,n则圆筒有效厚度 = =enC1028m4.1.3、圆筒工作压力校核圆筒应力强度判别式为： ()2t tciePD设计温度下圆筒的计算应力为：南华大学机械工程学院第 19 页，共 62 页()20.68.3()tciePDMpa而 92.57.2t pa显然有： =tt8圆筒最大允许工作压力
21、： 2890.562.tewipDMpa有压力计算得工作压力 .2cP所以： 0.wcppa所以筒体设计符合使用后强度要求，安全。4.2、封头厚度计算及工作压力校核4.2.1、封头厚度的计算取用标准椭圆型封头，形状系数 K=1 2iDh又 =600mm，故得 =150mmiDih封头厚度计算公式为： 10.260.85985.20.5cihtcKPm与筒体的设计计算同理：对低合金钢制的容器，不包括腐蚀裕量的最小厚度应不小于 3 。m南华大学机械工程学院第 20 页，共 62 页故，封头设计厚度 = + = +hdC325m封头名义厚度 与圆筒一样，取为 10n因此，封头有效厚度 = - =he
22、n108()根据化工容器及设备简明设计手册316 页，椭圆形封头的曲面高度与直边高度（mm） 、内表面积与容积，知：公称直径为 DN=600mm 的椭圆形封头， 曲面高度 ，直边高度 ，容积150ihm250hm30.425Vm4.2.2、封头工作压力校核 封头 1 校核封头有效厚度 1028()henCm椭圆形封头的最大允许工作压力为： 20.59816.2.7tewipKDMpa而 111gHpdHdC其中， 为封头 1 与塔顶之间的距离。显然， 1110.2cdHwcpMpa所以封头 1 设计满足工作要求，安全。 封头 2 校核 同封头 1 的校核，.07wpMa南华大学机械工程学院第
23、21 页，共 62 页=0.22 MpacddC pgHgp211wc所以封头 2 设计满足工作要求，安全。同理，封头 3 和封头 4 用相同方法校核后，同样满足工作要求，安全。4.3、载荷分析4.3.1、塔设备质量载荷计算塔设备的正常操作质量 :)(0kgmeamm05403201塔设备在水压试验时的最大质量:)(maxk eaW043021ax塔设备在检修时的最小质量 :)(minkg ea043021in.塔体、座质量；01塔内件如塔盘或填料的质量；2保温材料的质量；03m操作平台及扶梯的质量；4操作时物料的质量；05他附件如人孔、接管、法兰等质量；am水压试验时充水的质量；w偏心载荷。
24、e（1） 、塔体总质量已知塔体总高度 H=17.632m根据化工容器及设备简明设计手册316 页，椭圆形封头的曲面高度与直边高度（mm） 、内表面积与容积，知：公称直径为 DN=600mm 的椭圆形封南华大学机械工程学院第 22 页，共 62 页头， 曲面高度 ，直边高度 ，容积150ihm250hm30.425Vm查化工设备机械基础课程设计指导书附表 4-1 筒体的容积、面积和质量，可知筒体公称直径为 的每米高碳素钢板理论质量为 30.6 。6 kg查化工容器及设备简明设计手册第 317 页，以内径为公称直径的碳素钢、普通低合金钢、复合钢板制椭圆形封头的质量，可知公称直径为 ，m60厚度为
25、封头的质量为 。m10kg7.3所以，塔体总质量为： 01.64.1.62(0.5.01)27.30.627.60.1()tH kg（2） 、塔段内件质量 ：02m塔内件质量主要是填料质量，其余塔内件相对于填料来说，其质量均可忽略，所以塔内件质量 填02由第二章中表2-3矩鞍形填料的特性参数知所选用的矩鞍形填料填料密度为=538 Kg/ ，本设计填料分两段，每段高度为3.5m，故故 而 塔 段 内 件 的 质p 3m量 ：02 2145380.63.521.ppiVDhkg填（3） 、保温材料质量 ：03m南华大学机械工程学院第 23 页，共 62 页取保温层厚度为 =100mmS查化工设备机
26、械基础课程设计指导书表 5-4 塔设备部分零件质量载荷估算表得：保温层质量载荷为 300 ；3/mkg根据化工容器及设备简明设计手册316 页，椭圆形封头的曲面高度与直边高度（mm） 、内表面积与容积，知：公称直径为 DN=600mm 的椭圆形封头， 曲面高度 ，直边高度 ，容积 ，以保温层外150ih250h30.425Vm径为内径的椭圆形封头的容积为 0.0871 。3m所以 22,03 203()4.62.01.0.6.17.(.8710.425)319insintqmDHkg 式中 为封头保温层质量,03kg（4） 、平台、扶梯质量 ：04m查化工设备机械基础课程设计指导书表 5-4
27、塔设备部分零件质量载荷南华大学机械工程学院第 24 页，共 62 页估算表，知：钢制平台质量 ，笼式扶梯质量2/150mkgqpmkgqF/40塔设备总高为 17.632m, 笼式扶梯总高取为 HF=17m本设计设置本平台数 n 取 8 个故而平台、扶梯质量 ：042204 342 0.5in inPFmDKDnqH 2.6.190.61.815047 359kg（5） 、操作时塔内物料质量 05m将塔分为两个反应空间，每部分筒体部分长 ，由前面的设计说明05.Hm知：封头容积 ，陶瓷制矩鞍形填料的空隙率 ，而每段填3.42V .782料层高度 15Hm故操作时塔内物料得最大质量 为：0520
28、501124.6.35.780.459027i fDHVkg（6） 、人孔、接管、法兰等附件质量 am)(kg按经验取附件质量为:=0.25am01.256.10.5()（7） 、充液质量 w201024.65.3.78.4510287i fDHVkg 水南华大学机械工程学院第 25 页，共 62 页所以：塔设备的自重为： 010246359610.54aemmkg塔设备在正常操作时的操作质量为： 0102304569.61.7()aekg塔设备在停工检修时的最小质量为： min0102304.62.619.561.57()aemkg塔设备在水压试验时的最大质量为： max0120346.4.9.61.287.4150.9()waekg4.3.2、吊柱尺寸高度超过 15m 的室外整体塔，一般应在塔顶设置吊柱。设计由 塔设备349 页，吊柱结构图，其参数按照 352 页，表 8-32，吊柱的主要结构参数选取，结果如下：表 4-1 吊柱主要参数S L H R e 1l800 3150 1000 168 10 750 250 110根据吊柱结构图及其参数，计算出塔设备除吊柱外的高度 tH吊柱高出塔顶的距离为：
