1、 1 目录1.概述 .31.1 填料塔的概述 .31.1.1 填料的类型 41.1.2 填料的几何特性 .51.1.3 填料的性能评价 .51.2 填料塔的流体力学性能 .61.2.1 填料层的持液量 61.2.2 填料层的压降 61.2.3 液泛 61.2.4 液体喷淋密度和填料表面的润湿 71.2.5 返混 71.3、 课题设计内容、设计参数 .71.3.1 设计内容 71.3.2 设计主参数的确定 72环形散装填料塔的结构设计 82.1 填料的选择 .82.2 塔的内件选型及设计 .92.2.1 填料支承板 92.2.2 填料压板 92.2.3 液体初始分布器 102.2.4 液体收集和
2、再分布器（液体再分配装置） 112.2.5 除雾沫器 123.填料塔的载荷分析及强度校核 .123.1 筒体和封头厚度计算 123.2 载荷分析 143.2.1 塔设备质量载荷计算 .143.2.2 自振周期的计算 .163.2.3 地震载荷与地震弯矩的计算 .163.2.4 风载荷与风弯矩的计算 .183.2.5 偏心弯矩 22eM3.3 强度校核 233.3.1 圆筒轴向力校核和圆筒稳定校核 .233.3.2 塔设备压力试验时的应力校核 .243.3.3 裙座轴向应力校核 .253.3.4 基础环和地脚螺栓设计及校核 .273.3.5 筋板设计及校核 .293.3.6 盖板设计及校核 .3
3、03.3.7 裙座与塔壳的对接焊缝 .313.3.8 接管计算 2 4 其他零部件的选取计算 324.1 静电接地板 324.2 塔顶吊柱 325.翻译 .325.1 英文文献 325.2 英文文献翻译 .406.参考文献： .447.谢 词 31.概述1.1 填料塔的概述在石油、化工及轻工等行业中所设计到的均相流体分离过程，多采用吸收或径流的方法进行。所采用的设备称为气液传质设备，也称塔设备。作为塔设备，首先从结构上应能使气液两相在塔内充分接触，以获得较高的传质效率。按照塔内件结构形式，塔设备可分为两大类板式塔和填料塔。填料塔中装有一定高度的填料层，液体在填料表面行程液膜向下流动，气体自下而
4、上与液体呈连续变化。由于填料塔的特定结构和由之决定的气液两相膜式接触传质，使之具有以下特点。1.生产能力大。2.压降低。3.分离效率较高。4.持液量小。5.操作液气比和弹性较大。填料塔由塔体和内件构成。塔体一般多为圆筒型，少数亦可方型。塔内件中核心组成部分是塔填料，分散堆型和规整型。此外，为固定填料层，设有填料支撑板和填料压板；为使液体均匀分布，在填料层顶部设有液体初始分布器，为减少液体的壁流现象，常将填料层分段放置，在两段填料层之间这有液体收集再分布器，在液体初始分布器上方装有除雾沫器；对大直径填料塔，气体入填料层前需经气体分布器，还设有各种气液进出口、人孔、视孔及人孔等部件。41.1.1
5、填料的类型填 料 是 填 料 塔 中 的 传 质 元 件 ， 它 可 以 有 不 同 的 分 类 。 填 料 的 类 型 有 两 大 类： 拉 西 环 矩 鞍 填 料 ； 鲍 尔 环 ； 鲍 尔 环 是 在 拉 西 环 的 壁 面 上 开 一 层 或 两 层 长 方形 小 窗 。 波 纹 填 料 有 丝 网 形 和 孔 板 形 两 大 类 。对 填 料 的 基 本 要 求 有 ： 传 质 效 率 高 ， 要 求 填 料 能 提 供 大 的 气 液 接 触 面 。 即要 求 具 有 大 的 比 表 面 积 ， 并 要 求 填 料 表 面 易 于 被 液 体 润 湿 。 只 有 润 湿 的 表 面
6、才 是 气 液 接 触 表 面 。 生 产 能 力 大 ， 气 体 压 力 降 小 。 因 此 要 求 填 料 层 的 空 隙 率大 。 不 移 引 起 偏 流 和 沟 流 。 经 久 耐 用 具 有 良 好 的 耐 腐 蚀 性 ， 较 高 的 机 械 强 度和 必 要 的 耐 热 性 。 取 材 容 易 ， 价 格 便 宜 。 填料的种类很多，根据装填方式的不同，可分为散装填料和规整填料。5 散装填料是一个个具有一定几何形状和尺寸的颗粒体，一般以随机的方式堆积在塔内，又称为乱堆填料或颗粒填料。散装填料根据结构特点不同，又可分为环形填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料等。现介绍几种较为典型的散
7、装填料。其中有拉西环、鲍尔环、阶梯环、弧鞍环、矩鞍环、金属环矩鞍环、球形填料等。1.1.2 填料的几何特性填料的几何特性数据主要包括比表面积、空隙率、填料因子等，是评价填料性能的基本参数。（1）比表面积单位体积填料的填料表面积称为比表面积，以 a 表示，其单位为m2/m3。填料的比表面积愈大，所提供的气液传质面积愈大。因此，比表面积是评价填料性能优劣的一个重要指标。（2）空隙率单位体积填料中的空隙体积称为空隙率，以 e 表示，其单位为m3/m3，或以%表示。填料的空隙率越大，气体通过的能力越大且压降低。因此，空隙率是评价填料性能优劣的又一重要指标。（3）填料因子填料的比表面积与空隙率三次方的比
8、值，即 a/e3，称为填料因子，以 f 表示，其单位为 1/m。填料因子分为干填料因子与湿填料因子，填料未被液体润湿时的 a/e3称为干填料因子，它反映填料的几何特性；填料被液体润湿后，填料表面覆盖了一层液膜，a 和 e 均发生相应的变化，此时的 a/e3称为湿填料因子，它表示填料的流体力学性能，f 值越小，表明流动阻力越小。1.1.3 填料的性能评价填料性能的优劣通常根据效率、通量及压降三要素衡量。在相同的操作条件下，填料的比表面积越大，气液分布越均匀，表面的润湿性能越好，则传质效率越高；填料的空隙率越大，结构越开敞，则通量越大，压降亦越低。采用模糊数学方法对九种常用填料的性能进行了评价，得
9、出如表 3-1 所示的结论。可看出，丝网波纹填料综合性能最好，拉西环最差。6 1.2 填料塔的流体力学性能填料塔的流体力学性能主要包括填料层的持液量、填料层的压降、液泛、填料表面的润湿及返混等。1.2.1 填料层的持液量填料层的持液量是指在一定操作条件下，在单位体积填料层内所积存的液体体积，以(m3 液体)/(m3 填料)表示。总持液量为静持液量和动持液量之和，即 。填料层的持液量可由实验测出，也可由经验公式计算。一般来说，适当的持液量对填料塔操作的稳定性和传质是有益的，但持液量过大，将减少填料层的空隙和气相流通截面，使压降增大，处理能力下降。1.2.2 填料层的压降在逆流操作的填料塔中，从塔
10、顶喷淋下来的液体，依靠重力在填料表面成膜状向下流动，上升气体与下降液膜的摩擦阻力形成了填料层的压降。填料层压降与液体喷淋量及气速有关，在一定的气速下，液体喷淋量越大，压降越大；在一定的液体喷淋量下，气速越大，压降也越大。将不同液体喷淋量下的单位填料层的压降 DP/Z 与空塔气速 u 的关系标绘在对数坐标纸。1.2.3 液泛在泛点气速下，持液量的增多使液相由分散相变为连续相，而气相则由连续相变为分散相，此时气体呈气泡形式通过液层，气流出现脉动，液体被大量带出塔顶，塔的操作极不稳定，甚至会被破坏，此种情况称为淹塔或液泛。影响液泛的因素很多，如填料的特性、流体的物性及操作的液气比等。7 1.2.4
11、液体喷淋密度和填料表面的润湿填料塔中气液两相间的传质主要是在填料表面流动的液膜上进行的。要形成液膜，填料表面必须被液体充分润湿，而填料表面的润湿状况取决于塔内的液体喷淋密度及填料材质的表面润湿性能。1.2.5 返混在填料塔内，气液两相的逆流并不呈理想的活塞流状态，而是存在着不同程度的返混。造成返混现象的原因很多，如：填料层内的气液分布不均；气体和液体在填料层内的沟流；液体喷淋密度过大时所造成的气体局部向下运动；塔内气液的湍流脉动使气液微团停留时间不一致等。1.3、 课题设计内容、设计参数1.3.1 设计内容1.填料的选择；2.塔内件的选型及设计；3.筒体选材及壁厚计算；4.上下封头型式、材料的
12、确定以及厚度的计算与校核；5.地震载荷、风载荷分析及强度校核；6.裙座设计及校核；7.地脚螺栓的设计及校核。1.3.2 设计主参数的确定此次设计要求完成烷类组分（80%甲烷、10%乙烷、10%丙烷）塔的结构尺寸计算，强度计算校核，设计温度 25，设计压力 1.6 ;塔体的腐蚀裕量取 2MPa，地脚螺栓的腐蚀裕量取 3 ；设定吸收剂为油。具体设计条件如下：mm设计压力 ：1.6pMPa设计温度 ：25T8 塔直径 ： 1.5DNm塔高 ：30H吸收剂密度 ：800L3Kg地震设防烈度：7 度基本风压值：350 2mN塔体建造场地：类场地土、近震、B 类地区2环形散装填料塔的结构设计2.1 填料的
13、选择参数 对操作的影响 常用数值填料尺寸对塔径的推荐值塔径 /M 填料尺寸/M填料尺寸一般填料尺寸越小，传值效率越高，但压力降越大，为防止液体向壁流的倾向，填料尺寸 d 与塔径 D 的比应小于一定值，一般取 1151101，查表【5】表 7-6， 【5】表 7-7， 【5】表 7-8Hm30得： .,8.,70.1Ziiv故 92k已求出塔设备自振周期 ，1Ts36.0查【6】表 17-2，近似取衡阳地区基本风压值为 350 2/mN=350210q.45).(2假设土地粗糙度类别为 B 类，则由 值查【5】表 7-6 得10Tq脉动增大系数 =1.7，查【5】表 7-7 得，脉动影响系数 分
14、别为i=0.72， =0.72， =0.79， =0.851234第 段振型系数可根据 / 查过程设备设计第二版表 7-8 可知i ithH0.1,.,06.,. 4321 zzzz 各计算段的水平风力 ，ieii DlfqKP16； ； ；N7.2514.52 NP7.583 NP2468.将以上讨论数据整理如表 4-1表 3-1 风载荷与风弯矩的计算计算内容 数据20 01 12 23 3顶各计算段的外径 ( )oiDm1524塔顶管线外径 ( )0d300第 段保温层厚度 ( )isi100管线保温层厚度 ( )PSm100笼式扶梯当量宽度 3K400各计算段长度 ( )il2000 4
15、000 11000 13000操作平台所在计算段长度( )0lm2000 4000 11000 13000平台数 n0 0 2 2操作平台当量宽度 042lAK0 0 163.6 138.4432KDsioiei 2124 2124 2287.6 2262.4pisioiei d04各计算段的有效直径 (eiD)m2224 2224 2387.6 2362.4各计算段顶截面距地面高度( )itH2 4 17 30风压高度变化系数 if1.00 1.00 1.25 1.46体型系数 1K0.7风振系数 2 1.98塔设备自振周期 ( )1T21 210Tq 45.36脉动增大系数 1.7脉动影响
16、系数 i0.72 0.72 0.79 0.85Hhit/0.06 0.20 0.556 1第 段振型系数 zi0.02 0.06 0.34 1.00各计算段的水平风力 ipN2157.7 4315.4 15718.7 21468.6根据【2】式 6-23 塔设备任意截面 处的风弯矩 按下式计算：IIWM)2()2()2( 21121 niiniiiiiiIW lllPllPllPM 塔设备底截面（0-0 截面）的风弯矩为)()()( 4321432132110 llllll代入数值得=2157.7 +4315.4（ ）+15718.7（0WM200）14+21468.6（ ）=21304081
17、0.7mN*1-1 截面的风弯矩为)()2(4324321 llPllPMW代入数值的得=4315.4（ ） +15718.7（ ）+21468.6（102104）2304819.6mN*2-2 截面的风弯矩为 )2(4332lPlMW代入数值得22 =15718.7（ ）+21468.6（ ）2WM210213086.4mN*3.2.5 偏心弯矩 e该塔塔体上并未悬挂附属设备或其他附件，故偏心弯矩 0eM3.2.6 最大弯矩最大弯矩取 和 两者中的较大值，所以，eiWM eiWiE25.0在 00 截面：= ei0.718.781mN*881075.0.25425 eiwiE mN*iMma
18、x 80.iW在 11 截面： ei 8819.619.6mN*88104.39.625042250 eiwiE mN*iMmax 8.iW在 22 截面： 81062.4ei mN*888 1037.62.450.50 eiwiE mN*iMmaxiW计算数据如下表表 3-2 最大弯矩选择计算公式及数据计算内容00 截面 11 截面 22 截面eiWM23 eiWiEM25.0 5.75 8103.40 8103.37 810最大弯矩 imax.79.662.43.3 强度校核3.3.1 圆筒轴向力校核和圆筒稳定校核由设计压力引起的轴向应力 =eipD41Mpa0.615.此应力只存在于筒体
19、，裙座上由设计压力引起的轴向力为操作质量引起的轴向应力 eiiDgm02 pa8.1053.49. 27最大弯矩引起的轴向应力 ，由此式可计算出：eiiM2ax0-0 截面上最大弯矩引起的轴向应力 39.6 pa1-1 截面上最大弯矩引起的轴向应力 35.02-2 截面上最大弯矩引起的轴向应力 26.2M许用轴向压应力 取 KB 和 K 中较小值。crt查【5】附表 D1 可知在设计温度下 16MnR 的许用应力 为 170 ，Q235 的tpa许用应力 为 113 。tsMpa载荷组合系数 等于 1.2；K系数 = =0.00125，eiRA/094.1/75.根据 A 值查【5】图 4-7
20、 得 16MnR 在设计温度下的系数 B=125 ，Q235 在设Mpa计温度下的系数 B=120 ，所以MpaKB 值在 00、11、22 截面分别为 144 、144 、150 ；PaPK 值在 00、11、22 截面分别为24 135.6 、135.6 、204 ，MPaaMP故而许用轴向压应力 取 K 。crt对内压容器圆筒最大组合压应力 ，32cr在 00 截面 ；Pa4.86.9832 MPar6.135在 11 截面 ；05cr在 22 截面 ，满足要求。.3232 r204最大组合拉应力 K321t在 00 截面 ；MPa8.96.80.6Pacr6.135在 11 截面 ；2
21、5321 r在 22 截面 ，满足4.7 cr204要求。数据整理如表 3表 3-3 圆筒组合应力计算及校核计算数据计算内容00 11 22KB Mpa144 144 150 K t135.6 135.6 204cr 135.6 135.6 20448.4 43.8 35.0圆筒最大组合压应力（ ）32Mpa 满足要求32cr90.8 86.2 77.4圆筒最大组合拉应力（ ）321 K 满足要求25 3.3.2 塔设备压力试验时的应力校核进行压力试验时，试验压力 =1.251.6 =2.0tTp25.1170Mpa查【5】附表 D1 得 筒体常温屈服点 =345sMa2-2 截面 =0.91
22、.2345=372.6sK9.0p2-2 截面 =1.2180=216Ba筒体的许用轴向压应力 取 及 中较小值，即crKBs9.0=216crMpa根据【2】式 6-42 由试验压力引起的周向应力 eieiiTDH2)(81.9/(当试验介质为水时， =0.001 ，3/cmkg单位转换成 的液柱静压力为 ，式中 为 3000 ，Mpa8.9Hcm所以 = =0.30581.9H.30pa （满足要求）MPT 0.17425 sK9.根据【2】式 6-43 试验压力引起的轴向应力 ；eiTDp41MPa7510.2根据【2】式 6-44 重力引起的轴向应力 eiTgm2；MPa2.16051
23、4.38.976根据【2】式 6-45 弯矩引起的轴向应力= 。eiWTD23).(4 1054.3)62.(8Mpa.7压力试验时最大组合压应力 =75+16.2=91.2 ，满足要求；32Tpacr压力试验时最大组合拉应力 =75-16.2+7.8=66.6 ，满1cr足要求。26 3.3.3 裙座轴向应力校核塔设备常采用裙座支承。被设计中选择圆筒形裙座，圆筒形裙座轴向应力校核首先选取裙座危险截面。危险截面的位置，一般取裙座底截面（0-0）或裙座检查孔（人孔）和较大管线引出孔（ ）界面处。然后按裙座有效厚 度验算hes危险截面的应力。（0-） 0-0）截面处（0-0）根据【2】式 6-54
24、 截面积 = 150012=5.65issbDA4102m（0-0）根据【2】式 6-55 截面系数 = = =2.1sZsi2415.323710m由前面计算知， =144 ， =135.6KBMpatsMpa裙座许用轴向应力 取以上两者中较小值为 135.6cr（1） 座体操作时底截面的最大组合轴向压应力应满足如下条件： ，其中 仅在最大玩具为地震弯矩参与组合sbVsbAFgmZ00axmaxcr0VF时计入此项。故，在此， =40.7 =135.6 ，478max 1065.8.9210.2Mpacrpa满足要求。检查孔加强管长度 取为 120 ，检查孔加强管水平方向的最大宽度 取为ml
25、 mb450检查孔加强管厚度 取与筒体壁厚一致为 10 。m根据【2】式 6-59 =212010=1440mlA221-1 截面处裙座筒体截面积：根据【2】式 6-58mesmesimsbDA)2(27 ；24105.m根据【2】式 6-60= =22)()(2mimesDlZ 257016107.1-1 截面处裙座筒体截面系数)2(42 mesimesims Zb )107.21504(105.3 62 = 7.11-1 截面组合应力操作时底 1-1 截面的最大组合轴向压应力应满足如下条件 ，其中 仅在最大玩具为地震弯矩参与组合smVsAFgZM101ax1maxcr1VF时计入此项，故1
26、35.6 ，满足要求MPa5310.48.9271043.964781max pa水压试验时，最大组合轴向压应力应满足如下条件： ，故smsWTAgZMs ax11.cr135.6 ，满足要MPasT 8.3105.476043.964781 pa求3.3.4 基础环和地脚螺栓设计及校核群座内径 =1500 ；isDm裙座外径 =1500+210=1520 ；esiso2m根据【2】式 6-62 和式 6-63 基础环内外径计算公式分别为=1500+300=1800 ；)4016(28 =1500-300=1200 ；)4016(isibDm基础环伸出宽度 )(2osbDm140)52180(
27、2根据【2】式 6-67 地脚螺栓承受的最大拉应力 取 =bB和 = 中的较大值。其中bVbeWEAFgmZM00005. 1BbbeWAZMmin0仅在最大玩具为地震弯矩参与组合时计入此项。1VF其中根据【2】式 6-69 基础环截面系数= =obibDZ32)(418032)(.4481059.根据【2】式 6-68 基础环面积= =)(42ibobA)(4.22m64.=1BbbeWgmZMin0 MPa3.10.18.9735059.768=2B bVbeWEAFg00. = Pa96.014.8.2791059.4768故基础环地脚螺栓承受的最大拉应力 =1.32 0，塔设备必须设计
28、地脚BMp螺栓。先将地脚螺栓个数取为 16（4 的倍数）材料选择 Q235。对于 Q235，取许用应力 =147btpa地脚螺栓腐蚀裕量 取为 3 ，根据【2】式 6-702Cm则地脚螺栓螺纹小径 =214CnAdbtBm31476.30.46故取 地脚螺栓满足要求302M基础环伸出部分平均周长为 = =5212.4)2(osbDL)258(.20 个地脚螺栓均布排列，每一个地脚螺栓两侧，基础环与盖板之间要设置筋板，29 相邻两筋板最大外侧间距 取为 140lm基础环材料许用应力：对于低碳钢材料 取为 140 。tMpa水压试验时的压应力 MPaAgZMbb 82.104.1.927059.4
29、7680max1 操作时压应力 agZbbeWb .104761059.4733.08max2 混凝土基础上的最大压力取以上两者中的最大值 即：=1.82maxbMp因 =1.03，140l故对 轴的弯矩 =-X2max018.)(bbxy MPa3.451820负号表示方向对 轴的弯矩Y2ax097.)(lMbxy .67.97.2计算力矩 取以上两者中大值 即： =4453.3s sMpa故，根据【2】式 6-66 有筋板时基础环厚度mbsb 2.1347.56无论有筋板或无筋板侧基础环厚度都不得小于 ，m16故此设计中取基础环厚度 b63.3.5 筋板设计及校核根据【5】附表 4-9 耳
30、式支座主要尺寸 0 选支座号为 3 的 型筋板，筋板宽度B=125 ，筋板厚度为 =8 ，筋板长度 =205 。2bmGm2lm筋板的许用压应力按【2】式 6-73 或式 6-74 计算:当 时 ，ccc2)/(4.012)(30 当 时c2)/(7.0cGc筋板细长比 ，且不大于 250il5.式中 为惯性半径，对长方形截面的筋板取 ，i G289.0m筋板长度 =205 ，故 【2】式 6-75 筋板细长比 =2lmil25.3.489.0临界细长比 ，GcE6.02式中 为筋板材料的许用应力，对低碳钢材料取 140G MpaE 为筋板材料弹性模量，E=2.1 Pa10所以 = =157， 故GcE6.02624.3c筋板的许用压应力可按下式计算 ，其中Gcc2)/(4.012)(35.1cMpaGcc 3.87153.425.100)/(4.0 22 式中 为一个地脚螺栓承受的最大拉力，根据 【2】式 6-72 计算，F nAFbB= =nAbB20.46kN9310.5为对应一个地脚螺栓的筋板个数，取 =2，故1n 1n=21lnFGMpa5.46893.故筋板的压应力 筋板的许用应力 ，满足要求。c3.3.6 盖板设计及校核环形盖板的最大应力按下式计算
