1、南华大学机械工程学院毕业设计 第 1 页 共 61 页 摘要 ： 本次 进行的设计 是 水煤气洗涤塔，水煤气洗涤塔属于填料塔中的吸收塔。进行此次 填料塔设计 时需要 包括 以下 主要内容： 气体和液体的物性参数及工作参数，塔体的设计、 塔设备的工艺设计（填料、封头、 法兰、 进出口接管 、液体分布器、吊柱 及裙座等 等 ） ，基础环厚度的设计以及开孔补强 等 等 。并对其 要 进行 载荷的分析以及强度的校核 ， 最后 绘制图纸等。 通过这次的设计，主要 加深 了 对压力容器的认识 ，进而 达到研究的目的 及所 期望的结果， 同时加深 了 对国内外 一些 先进的制造技术和有关压力容器设计及工艺等
2、方面的内容的认识 和 学习。通过查阅各种相关的文献资 料，据此熟悉研究内容、合理的安排课题进度和容器设计路线。 关键词 ： 水煤气 压力容器 填料塔 强度校核 工艺设计 Abstract: The design of the water-gas scrubbers, water gas scrubber is a packed tower absorber. The packed tower design needs to include the following main elements: the physical parameters and operating parameters
3、of the gas and liquid, the design of the tower, the process design of the tower (filler, head, flange, take over the import and export, liquid distribution, davit and skirt, etc.), the design of the thickness of the base ring and opening reinforcement. To load analysis and strength check them last d
4、rawings. Through this design, mainly to deepen the understanding of the pressure vessel, thus achieving the purpose of the study and the desired results, while deepening the understanding of domestic and foreign advanced manufacturing technology and pressure vessel design and process aspects and lea
5、rning. Access to all relevant documents, pursuant to which familiar with the research, reasonable arrangements for the progress of the topics and the container design line. Keywords: Water Gas Pressure vessel absorption tower Strength check Process Design 南华大学机械工程学院毕业设计 第 2 页 共 61 页 前 言 水煤气是 由 水蒸气通过
6、炽热的焦炭而生成的气体， 它 主要 的 成份是一氧化碳 ，氢气 和 燃烧后排放水和二氧化碳， 并且带 有微量 的 CO、 NOX 和 HC。 水煤气的 燃烧速度是汽油的 7.5 倍， 而且它的抗爆性好。 据国 的 外研究和专利报导水煤气的 压缩比 不仅 可 高 达 12.5， 热效率提高 了 20 40%、功率提高 15%、燃耗降低 30%，尾气净化近欧 IV 标准 ， 并 还可 以 用微量的铂 来作为 催化剂 进行 净化。 相比于 醇、醚 其 制造 更 简化 和设备 应用更 少 ， 这要造成 成本和投资 也就 更低。在工业生产中 水煤气 不仅是合 成氨 及 液体燃料等的原料， 还是作为工业燃
7、料 气 补充 的 来源 之一 。 显然易见 在现实中 水煤气 得 需求量是比较大的， 它的 大量生产 对于社会来说 也是 十分 必要的。 洗涤塔是水煤气 在 生产过程中 十分重要的 的一 个 单元 。水煤气 洗涤塔 的结构主要包括： 填料、塔内件及塔体 。 是 塔设备 的一种 ，属于吸收塔。 一个完整的填料塔 由 塔内件和填料及塔体共同构成 。 洗涤塔的 塔内件主要包括 的是 以下几个部分：液体 的 分布装置 、 填料 的 支撑装置 、 填料 的 压紧装置 、 气体进料及分布装 置、液体 的 收集再分布 器 及进出料 的 装置 、 除沫装置 等 等 。 随着技术的进步， 近年来填料塔 的各项
8、技术 都 有了长足的进步， 开发出了 不少 的 高效填料 以及 新型 的 塔内件， 特别 对 新型 的 高效 的 规整填料的不断开发与应用， 直接 冲击 者 以板式塔为主的局面， 并 且大有取代板式塔的趋势。 从填料塔的 发展 史我们 可以看出 ： 至 80年代末 对于 新型填料的研究始终 还是 十分 的 活跃， 特别 是新型规整填料 的开发。所以有人 就 说是 填料塔的发展就是 规整填料 的 发展 。但 是 就其 从 整体 上 来说， 对于 塔填料结构的研究又始终 又 是沿着 2 个方面 来 进行的 ：一是 同步 对 散堆填料与规整填料 进行 开发 。 二是加强对 进填料材质 更换 的研究
9、， 使之能够 适应不同 的 工艺要求， 进而能够 提高塔内气液两相 之 间的传质效果， 而且使之能 对填料 的 表面进行适当 的 处理 (包括 ： 板片 碾压 麻点或 细纹， 表面化学改性 ， 在板片上粘接 上石英砂 等 等 )， 用来 改变液相在填料表面 上 的润湿性。 随着 对 新型塔填料的相继开发 与 应用，填料塔的优点 就 更显突 了 出 来：其 应南华大学机械工程学院毕业设计 第 3 页 共 61 页 用 的 范围日益扩大。 不仅 在炼油、 精细化工、 石油化工、 制药 、 化肥 和原子能工业部门 以及 在 环保领域的应用 也 已趋于成熟。 在对 常压及中压下的蒸馏 、 真空蒸馏 中
10、 填料塔尤其适用 。 当然 对于有 大气量的两相接触过程 也是比较适用的 。随着技术的发展 可以预测 ： 21 世纪 塔器 的 分离技术将 会 向 着 复合化、 行业化 、 大型化 、节能化等 方向发展。 本 次 设计 的起始时间是 2013 年 1 月 6日 ， 通过 段小林老师的悉心指导， 本次设计共 经历了资料收集、 文献的查阅，确定设计方案及编写设计说明书，图纸的设计 等过程。 也 通过这次设计让我们 对填料塔的发展历史 ， 组成结构，塔设备的设计和制造过程及塔设备的生产工艺有了更加深刻的认识和理解。 进一步 的 巩固了 所学的 专业知识， 提高了 自己 独立 查找资料的能力 以 及
11、和同学 之间相互 交流能力 ， 可以说这 是 自己对 大学四年所学 专业 知识的一次 比较全面的 检验总 结和巩固。 然而 我深深的知道 本人设计水平有限， 知识是无尽的，自己的 实践经验 也 不足以及其他 一些 因素的限制， 此 设计必定 会 存在很多不足， 希 望各位老师、同学批评指正。 陈启学 2013.1.6 南华大学机械工程学院毕业设计 第 4 页 共 61 页 第一章 结构 设计 1.1 填料的选择 填料是填料塔的核心内件，填料的选用主要根据其效率、 通量、和压降三个重要的性能参数决定。 包括确定填料的种类、规格及材质等。 填料分为散装填料和规整填料两种。在进行设计时 所选 用的
12、填料既要满足生产工艺的要求，又要使设备投资和操作费用较低 的条件 。 此次设计中 综合考虑 上述因素 选用 的是 50金属鲍尔环。 其 物性 和形状 如表 1-1及 下图 1-1所示 ： 表 1-1 外径 mmd/ 高厚 /mm mm 比表面积 a /m2 m-3 空隙率 /m3 m-3 个数 /个 m- 堆积密度D /kg m-3 干填料因子 a/ 3 /m-1 湿填料因子 /m-1 /m-1 50 50 1 112.3 0.949 6500 395 131 130 南华大学机械工程学院毕业设计 第 5 页 共 61 页 图 1-1 鲍尔环 （ a）钢环； （ b）瓷环 1.2填料层高度的选
13、择： 填料层的分段 ： 由设计说明书可知塔高为 23.3m,塔体比较的高。当 液体沿填料层 往 下流时， 由于重力等因素的影 响会使液体 有逐渐向塔壁方向集中的趋势， 进而 形成壁流效应。壁流效应 会 造成填料层气液分布不均匀， 从而导致 传质效率降低。因此在 设计中 应考虑将填料层进行分段，设计液体收集分布器。从而保证液体在调料层中分布均匀，同时为上升气体提供横向混合的空间和机会，减小放大效应，提高传质效率。 对于散装填料，一般推荐高度见表，表中的 h/D 为分段后高度与塔径比， hmax为允许的最大填料层高度 散装填料分段高度推荐值 如 表 1-2: 填料类型 拉西环 鲍尔环 矩鞍环 阶梯
14、环 环矩鞍 h/D 2.5 5 10 5 8 8 15 5 15 Hmax/m 4 6 6 6 6 故 取每段填料层高度为 3.5m，分三段。 南华大学机械工程学院毕业设计 第 6 页 共 61 页 1.3塔内件及 其 附件的选择 1.3.1除沫器的选择 由于当 塔内操作气速较大时， 那么就可能 会出现塔顶雾沫夹带，这不 仅会 造成物料的流失，也 会 使塔的效率降低， 并且还有 可能 对环境造成污染 。 因此为了避免这种 情况 产生 ， 就 需要 根据规定 在塔顶 处 设置 合适 除沫装置， 近而 减少液体的夹带损失， 提高塔的效率， 确保后续设备 能够正常工作 。 生产中常用的除沫装置可分为
15、： 丝网除沫器、折流板除沫器以及旋流板除沫器。此外，还有多孔材料除沫器及玻璃纤维除沫器。 根据此次填料塔的设计条件和 化学工艺设计手册 选用 用丝网除沫器。 它是应用最为广泛的除沫装置之一， 具有比表面积大、重量轻、空隙率大以及使用方便等优点。 以及除沫效率高、压力降小的特点。 因为本设计汽提塔的塔径为4000mm，直径较大，故采丝网除沫器， 根据化学工艺手册规定 丝网块直径应 小 于 塔 设备的内直径， 并且要 安装在塔顶出气口处， 所以 需要另加一圆筒短节用来 安放网 块 。 采用的是 下拆式结构， 根据规定可知 丝网层厚度一般取 100 150 。 根据设计条件 选用 100 标准型（
16、N型） ， 结构形式如下 1-3： 1-3 1 除沫器 1.3.2填料支承装置的选择 根据设计条件塔径为 4000mm 较大，若选用分 块式栅板则需要 4 块以上，因此根据设计条件和化学工程师设计手册和化学工艺设计手册选用气体喷南华大学机械工程学院毕业设计 第 7 页 共 61 页 射支撑板 来 作为填料的支承。 其 与分块式栅板相比 之下的 较大的优点有：自由截面大，一般在 90%以上，流体阻力小。但是 其 结构 却 比较复杂。 1.3.3液体 再 分布器 当 填料塔的 填料层比较高时，液流有流向塔壁造成“壁流”的倾向， 进而造成了 液体 的分布不均匀 ，甚至 还会造成 塔中心处的填料 都
17、不能被湿润， 从而 引起“干锥” 的 现象， 大大的 降低了填料塔的效率。为 了 消除 这样的 现象， 提高塔的效率， 故将填料 层分段 ， 每 层 填料层 间设置液体再分配器， 使 整 个 填料塔 高度内的填料 都能被均匀的喷淋 。 在本设计中，由于塔径 为 4000mm过大，采用气体喷射支撑板， 所以就 不需要 再 设置 液体再分布器 了 。 1.3.4塔吊柱的选择 在进行吊柱的选择是要考虑 吊柱的方位和回转半径 S， 吊柱 不仅在 经 过 人工推转 后能使 经过吊柱 的 垂线可以转到人孔 的 附近， 而且还 可以使吊钩 的 垂线 能够转到平台外， 这样 以便将 所选取的 塔内件从塔平台
18、之 外的场地上 能够 吊到塔平台上 的 人孔处或 者是反过来将它内件 从塔平台上人孔处吊到塔平台 之 外的场地上。因此吊柱的方位 应当要 首先取决于人孔 所在 的方位。 而 人孔方位 的确定 是由管道专业 人 员 根据设备 的 布置 及 配管 的 要求来确定。 其结构如下： 南华大学机械工程学院毕业设计 第 8 页 共 61 页 图 1-3 吊柱 其尺寸如下表 表 1-4 S L H R E L 重量 标准图号 2400 4550 1550 219 10 1000 300 120 471 HG5-1373-80-26 吊杆 的材料采用的 为 20 号无缝钢管， 而 其他材料 采用的 为 A3F
19、 钢。支座垫板 的 材料与塔体材料 采用是 相同 的 。吊柱下端 的 支承结构 所 采用 的是 椭圆形封头。吊杆 的计算是 以整根管子 来 作为计算依据的。 如果 管子 的 长度不够 那么就 需要 进行拼接 ， 这时 应符合以下 的 要求： a） 只 允 许拼接一处。 b)进行 拼接 的 位置只能 是 在下图所示 的 B 至 C， E至 W之间。 C）采用的 焊接结构 应 按 下 图所示。 采取的 焊缝系数 为： 0.9. 南华大学机械工程学院毕业设计 第 9 页 共 61 页 图图 1-4 封板 通过查化学工艺手册可知：用管子来制作 的吊柱都 是 焊有端封板 的 ， 那么 为了 防止雨水 的
20、 灌入 而 引起生锈。 所以 封板上方开 直径为 30的牵引孔。 吊钩 通过查化学工艺手册可知： 吊钩 常用的 形式有三种，其中 又是 以圆钢弯成 U 形焊在吊杆上的形式 用的最为广泛 ， 所以此次设计中采用的就是这种形式。 其结构图如下 ： 1.3.5人孔的设计与选择 通过查 中华人民共和国行业标准钢制手孔和人孔 此次设计中 选用 的是 “回转盖板式平焊法兰人孔” （ HG/T 21516-2005） 它的 形式如下 ： 南华大学机械工程学院毕业设计 第 10 页 共 61 页 0.6 图 1-6 人孔 1.3.6接管法兰的选择 通过查 中华人民共和国标准 GB9112.2 88此次设计中 选用 的是 PN0.6Mpa平面板式平焊法兰 其结构如下图 ： 图 1-7 接管法兰 具体尺寸如下表 表 1-5
