1、长春理工大学本科毕业设计 I 摘 要 塔设备是广泛应用于化工机械领域的一种重要设备。 本次设计是关于脱轻组分塔的设计，依据 GB150 等的相关规范，对填料塔进行了结构设计和强度校核，设计的前半部分是结构设计，主要是根据给定的设计条件来进行整体结构设计和内部结构设计，其中包括筒体、封头、裙座、填料支撑装置、液体再分布装置等的选型以及设计计算。设计的后半部分是塔设备的强度设计和稳定校核，包括辅助装置和附件的选型，接管的开孔补强以及各种零件的稳定校核等。 关键词 ：填料塔 结构设计 强度校核 长春理工大学本科毕业设计 II Abstract Tower equipment is widely us
2、ed in chemical industry ， and it is an important equipment in the field of machinery. This design is about to take off the light component design of the tower, on the basis of GB150 and other related specification, packed tower for the structure design and intensity, the first part of the design is
3、for the structure, mainly according to the given design conditions for the overall structural design and internal structure design, including cylinder, head, skirt, packing support device, liquid distribution device, such as selection and designing calculation. The second part of the design is the s
4、trength of the tower equipment and stability checking, including the selection of auxiliary equipment and accessories, to take over the opening of the reinforcement and stability check of all kinds of accessories, etc. Key words:packed tower;the structure designing;strength checking 长春理工大学本科毕业设计 III
5、 目录 第 1 章 绪论 . 1 1.1 选题的依据 . 1 1.2 课题研究现状 . 1 1.3 课题研究意义 . 2 1.4 设计的内容和要求 . 2 1.4.1 题目内容 . 2 1.4.2 具体要求 . 3 第 2 章 塔的整体结构设计 . 4 2.1 筒体的结构形式选择 . 4 2.2 封头形式的 选择 . 4 2.3 裙座的结构设计 . 4 2.4 法兰的结构设计 . 5 第 3 章 填料塔内部结构设计 . 6 3.1 塔填料的选择 . 6 3.2 液体分布装置的选择 . 6 3.3 填料支撑装置的设计 . 7 3.4 液体再分布装置的设计 . 7 3.5 填料压板及床层限制板的
6、选择 . 7 3.6 气体的入塔分布设计 . 7 第 4 章 筒体的计算 . 9 4.1 第一段筒体校核 . 9 4.1.1 厚度及重量计算 . 9 4.1.2 压力试验时应力校核 . 9 4.1.3 压力及应力计算 . 10 4.2 第二段筒体校核 . 10 4.2.1 厚度及重量 计算 . 10 4.2.2 压力试验时应力校核 . 11 4.2.3 压力及应力计算 . 11 4.3 变径段校核 . 11 第 5 章 封头的计算 . 14 5.1 厚度及重量计算 . 14 5.2 压力计算 . 15 第 6 章 塔设备的强度设计和稳定校核 . 16 6.1 塔重的计算 . 16 长春理工大学
7、本科毕业设计 IV 6.2 筒体的校核 . 17 6.3 辅助装置及附件的设计 . 20 6.3.1 裙座圈计算 . 20 6.3.2 地脚螺栓计算 . 20 6.3.3 基础环的计算 . 21 6.3.4 对接焊缝的校核 . 21 第 7 章 开孔补强计算 . 25 7.1 第一类接管开孔补强计算 . 25 7.2 第二类接管开孔补强计算 . 27 7.3 第三类接管开孔补强计算 . 29 第 8 章 塔设备制造检验和安装 . 32 8.1 制 造上的要求 . 32 8.2 表面强化工艺 . 32 8.3 塔设备安装 . 32 8.4 塔设备检验 . 32 第 9 章 结论 . 33 致谢
8、. 34 参考文献 . 35 长春理工大学本科毕业设计 1 第 1 章 绪论 1.1选题的依据 塔设备是化工、炼油、医药、食品及环境保护等工业部门中一种重要的单元操作设备。它在化工、炼油等工业部门应用量大、量广。塔设备无论是投资费用还是所消耗的钢材量，在整个过程设备中所占的比例都相当高，如在 化工及石油化工行业，塔设备投资比例占 25.4%，在煤油及煤化工行业占 34.85%，在化纤行业占 44.9%等。 塔设备的作用是实现气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。塔设备广泛用于蒸馏、吸收、介吸、萃取、气体的洗涤、增湿及冷却等单元操作中，它的操作性能好坏，对整个装置的生
9、产，产品质量、产量、成本以及环境保护、 “三废 ”处理等都有较大的影响。因此对塔设备的研究一直是工程界所关注的热点，随着石油、化工的迅速发展，塔设备的合理造型及设计也越来越受到关注和重视。 填料塔 70 年代以前，在大型 塔器中，板式塔占有绝对优势，出现过许多新型塔板 。 70 年代初能源危机的出现，突出了节能问题。随着石油化工的发展，填料塔日益受到人们的重视，此后的 20 多年间，填料塔技术有了长足的进步，涌现出不少高效填料与新型塔内件，特别是新型高效规整填料的不断开发与应用，冲击了蒸馏设备以板式塔为主的局面，且大有取代板式塔的趋势。最大直径规整填料塔已达 14 20m，结束了填料塔只适用于
10、小直径塔的历史。这标志着填料塔的塔填料、塔内件及填料塔本身的综合设计技术进入了一个新阶段。纵观填料塔的发展，可以看出，直至 80 年代末，新型填料的研 究始终十分活跃，尤其是新型规整填料不断涌现，所以当时有人说是规整填料的世界。但就其整体来说，塔填料结构的研究又始终是沿着两个方面进行的，即同步开发散堆填料与规整填料 1, 2。另一个研究方向是进行填料材质的更换，以适应不同工艺要求，提高塔内气液两相间的传质效果，以及对填料表面进行适当处理 (包括在板片上碾压细纹或麻点，在板片上粘接石英砂，表面化学改性等 )，以改变液相在填料表面的润湿性 3-5。 1.2 课题研究现状 我国塔设备技术的发展，经历
11、了一个漫长的过程。新中国成立以后，随着国民经济的发展，陆续建立 了一批现化的石油化工代装置。随着这些装置引进的新型塔设备，不仅在操作、使用这些设备方面提供了大量的第一手资料，还带动了长春理工大学本科毕业设计 2 塔设备的科研、设计工作，加速了这方面技术的开发。 目前，我国常用的板式塔型仍为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔和舌型塔等，填料种类除拉西环、鲍尔环外，阶梯环以及波纹填料、金属丝网填料等规整填料也常采用。近年来，参考国外塔设备技术的发展动向，加强了对筛板塔的科研工作，提出了斜孔塔和浮动喷射塔等新塔型。对多降液管塔盘、导向筛板、网孔塔盘等，也做了较多的研究，并推广应用于生产。其他如大孔径筛板、双孔径
12、筛板、 穿流式可调开孔率筛板、浮阀 -筛板复合塔盘，以及喷杯塔盘、角钢塔盘、旋流塔盘、喷旋塔盘、旋叶塔盘等多种塔型和金属鞍环填料的流体力学性能、传质性能和几何结构等方面的试验工作，也在进行，有些已取得了一定的成果或应用于生产。 从塔设备的化工设计到结构强度设计，国内也做出了不断的改进，并陆续引进了一些新的方法和标准规范。特别是由于电子计算机技术的发展，化工设计中计算工作量极大的逐板计算法，已能快速而方便的得到满意的结果。在结构强度设计中，电子计算机也可以把受载情况异常复杂的塔设备强度问题，逐项加以考虑，并做出详细的计 算。现有全国化工设计设备技术中心站组织编制的压力容器强度计算软件 SW6 中
13、可对设备强度和刚度进行计算。目前正在考虑作塔设备的最优化设计。 1.3 课题研究意义 本设计的题目来自于生产实践，主要涉及脱轻组分塔的设计，主要解决的问题是该设备的结构设计，设计计算和计算辅助造型。通过本次设计可以培养学生压力容器设计的技能以及独立分析、解决问题的能力，树立明确的设计思想，掌握化工单元设备设计的基本方法及步骤，为今后创造性的设计化工设备及机械打下一定的基础。 1.4 设计的内容和要求 1.4.1 题目内容 ： 设计一台脱轻组分 塔，对塔设备进行结构设计、强度计算和校核，并对脱轻组分塔的附属设备进行选择。 脱轻组分塔的原始设计数据如下： 设计压力： 0.8MPa 操作温度： 14
14、0 物料名称： C4 C6 塔径： 600 塔高： 36710mm 长春理工大学本科毕业设计 3 1.4.2 具体要求 ： 1、查阅相关文献资料，对比国内外研究现状提出合理可行的开题报告； 2、按毕业设计规范要求撰写说明书，要求内容完整，计算正确、结构设计合理，字数不少于 15000 汉字符； 3、绘制总装配图、零部件图、折合 A0 图纸不少于 3 张； 4、英文文献资料翻译（英译汉）（ 2 万英文字符）； 5、文献综述（ 2000 汉字）； 6、脱轻组分塔的设计和计算符合 GB150-1998、 JB/T4710-2005 等压力容器相关标准规范的要求。 长春理工大学本科毕业设计 4 第 2
15、 章 塔的整体结构设计 2.1 筒体的结构形式选择 圆筒按其结构可分为单层式和组合式两大类。 单层式筒体。筒体的器壁在厚度方向是由一整体材料所构成，也就是器壁只有一层。单层筒体按制造方式又可分为单层卷焊式、整体锻造式、锻焊式等几种。其中单层卷焊式结构是目前制造和使用最多的一种筒体形式，它采用钢板在 大型卷扳机上卷成圆筒，经焊接纵焊缝成为筒节，然后与封头或端部法兰组装焊接成容器。而整体锻造式结构是最早采用的筒体型式，制造时筒体与法兰可整锻为一体或用螺纹连接，整个筒身没有焊缝。焊接技术发展后出现了分段锻造，然后焊接拼合成整体的锻焊式筒体。通常，整体锻造式和锻焊式筒体主要用语高压和超高压容器中。 整
16、体锻造式筒体的材料金相组织致密，强度高，因而质量较好，特别适合于焊接性能较差的高强度纲所制造的超高压容器。但制造时需要非常大的冶炼、锻压和机加工设备，材料消耗量大，钢材利用率，机加工量大，故一般只用于内径D300 800mm、长度不超过 12mm的小型超高压容器。 组合式筒体。筒体的器壁在厚度方向是由两层或两层以上互不连续的材料构成。组合式筒体按其结构和制造方式又可分为多层式和缠绕式两大类。 分析以上几种形式结合填料塔的设计条件选择单层式筒体比较合适。 2.2 封头形式的选择 压力容器封头的种类较多，分为凸形封头、锥壳、变径段、平盖及紧缩口 其中凸形封头包括半球形封头、椭圆形封头、碟形封头和球
17、冠形封头。采用什么样的封头要根据工艺条件的要求、制造的难易程度和材料的消耗等情况来决定。 在此设计中选择椭圆形封头，椭圆形封 头是由半个椭球面和短圆筒组成，直边段的作用是避免封头和圆筒的连接焊缝处出现经向曲率半径突变，以改善焊缝的受力状况。由于封头的椭球部分经线曲率变化平滑连续，故应力分布比较均匀，且椭圆形封头深度较半球形封头小得多，易于冲压成型，是目前中低压容器中应用较多的封头之一。 2.3 裙座的结构设计 塔体常用裙座支承，裙座的结构有两种形式，一般为圆筒型，由于裙座与介质不直接接触，也不承受容器内的介质压力，因此可不受压力容器用材所限制，长春理工大学本科毕业设计 5 可以选用较经济的非受
18、压元件碳素钢材料，但由于裙座对整个塔器而言是个至关重要的元件，支撑整 个塔器，如它破坏将直接影响塔器的正常使用，并且裙座所耗费的材料对整个塔而言不多，提高它的用材要求，在经济上不会造成太多的费用。裙座的选材除满足载荷要求外，还需要考虑到塔的操作工况、塔釜封头的材料等因素。对于在室外操作的塔，还要考虑环境和温度。 常用的裙座材料为 Q235-B 和 16MnR。当裙座设计温度低于 0 时，材料的选择及检验要求按照 GB150钢制压力容器，至材料应具有在相应温度下的冲击韧性要求。 塔釜封头的材料为低合金高强度钢、高合金钢或塔体要整体热处理时裙座顶部应增设与塔釜封头相同材料的短节，以保证 塔釜封头与
19、裙座焊接时的封头质量。操作温度低于 0 或高于 350 时，短节长度应以温度影响范围确定。当不做这项计算时，短节的长度一般取保温层厚度的 4 倍，且不小于 500mm。 碳钢裙座应考虑腐蚀裕度，其值不小于 2mm。 此设计中选择圆筒型裙座。 2.4 法兰的结构 设计 在石油、化工设备和管道中，由于考虑到生产工艺的要求，或者制造、运输、安全检修的方便，常采用可拆的结构。常见的可拆结构有法兰联接，螺纹联结和插套联结等。由于法兰联结有较好的强度和紧密性，而且适用的尺寸范围较广，在设备和管道上都能应用，所以，法兰联结用 的普通。法兰联结的特点是不能很快的装配与拆开，而且制造成本较高。设备法兰与管道法兰
20、均已指定出标准，在很大的公称直径与公称压力范围内的法兰都可直接查取。只有少量超出标准规范的法兰才需要进行设计计算。法兰联结是由一对法兰，数个螺栓、螺母和一个垫片 组 成。法兰在螺栓预紧力的作用下，把处于法兰压紧面的垫片压紧。并填满法兰密封表面上的压力必须达到一定的数值才能是垫片变形，并填满法兰密封表面上的凹低不平处。所需要的这个压紧应力叫做垫片的比压力。它与垫片材料有关，例如橡胶石棉。设备或管道在开工操作以前，就应将垫片压紧。显然 ，当垫片材料选定后，垫片越宽，垫片所需的总压紧力就越大，从而螺栓及法兰的尺寸也要求越大。所以，垫片不能太宽。更不能把整个法兰面都铺满垫片。 长春理工大学本科毕业设计
21、 6 第 3 章 填料塔内部结构设计 3.1 塔填料的选择 塔填料是填料塔中的气液相间传质元件，是填料塔的核心部件。其种类繁多，性能上各有差异。按填料的结构及其使用方式可分为散堆填料和规整填料两大类。每一类中又有不同的结构系列，同一结构系列中有不同的尺寸和不同的材料，可供设计时选用。 塔填料的性能主要指塔填料的流体力学性能和质量传递性能。性能优良的塔填料应具有良好的流体力 学性能和传质性能，一般应具有如下特点： （ 1）具有较大的比表面积； （ 2）表面的润湿性能好，有效传质面积大； （ 3）结构上应有利于气液相的均匀分布； （ 4）液相淋洒在填料层上时填料层内的持液量适宜； （ 5）具有较大
22、的空隙率，气体通过填料层时压降小，不易发生液泛现象。 本次设计的塔填料采用陶瓷。 3.2 液体分布装置 的选择 填料塔操作时，在任意横截面上，保证气液的均匀分布都是十分重要的。对于任一装填完毕的填料塔，气速的分布是否均匀，主要取决于液体分布的均匀程度。因此，液体在塔顶的 初始均匀喷淋，是保证填料塔达到预期分离效果的重要条件。 实际上，液体初始不良分布相当于损失了一段填料高度。因此，正确设计液体分布装置是十分重要的。 设计原则： 为了使液体初始分布均匀，原则上应添加单位面积上的喷淋点数。但是，由于结构的限制，不可能将喷淋点设计的很多，同时，如果喷淋点数过多，势必每一股液流的流量过小，亦难以保证均匀分配。此外，不同填料对液体均匀分布的要求也有差别：如高效填料，因液体不均匀分布对效率的影响十分敏感，故应有较为严格的均布要求。 为了满足不同塔径、不同液流量以及不同均布程度的要求， 液体分布装置有多种结构形式。其中溢流型分布装置是目前广泛应用的分布器，特别适用于大型填料塔。它的优点是：操作弹性大、不易堵塞、操作可靠和便于分块安装等。 因此，此次设计选择溢流型分布装置。
