1、南华大学机械工程学院毕业设计 第 1 页 共 64 页 水煤气洗涤塔设计 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
2、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 南华大学机械工程学院毕业设计 第 2 页 共 64 页 The design of the water-gas scrubbers 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 mainelements: the physical par
3、ameters and operating parameters of the gas and liquid, the design of the tower, the process design of the tower (filler, head, flange, take over the importand export, liquid distribution, davit and skirt, etc.), the design of the thickness of the base ring and opening reinforcement. To load analysi
4、s and strength check them last drawings. 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 des
5、ign and process aspects and learning. 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 前 言 水煤气是由水蒸气通
6、过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%、燃南华大学机械工程学院毕业设计 第 3 页 共 64 页 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，还是作为工业燃料 气补充的来源之一。显然易见在现实中水
7、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 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
8、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 ， 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
9、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 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
10、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，塔设备南华大学机械工程学院毕业设计 第 4 页 共 64 页 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
11、，希望各位老师、同学批评指正。 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、和压降三个南华大学机械工程学院毕业设计 第 5 页 共 64 页 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。 鲍尔环是外径和高度相等的空心圆柱体，在圆柱侧壁上冲出上下两层交错排列的矩形小窗，冲出的叶片除一端连在该壁上外，其余部分全弯入环内，围聚环心，如图 1-1所示。我国现行的标准规定开孔率取35%。 此次设计中综合考虑上述因素选用的是 50
12、金属鲍尔环。其物性和形状如表 1.11 及下图 1.1 所示。 表 1.1 50 金属鲍尔环的物性参数 : 图 1.1 鲍尔环 （ a）钢环； （ b）瓷环 南华大学机械工程学院毕业设计 第 6 页 共 64 页 1.2填料层高度的选择： 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
13、，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。 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
14、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：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南华大学机械工程学院毕业设计 第 7 页 共 64 页 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
15、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（ N型），结构形式如下 1-3： 图 1.2 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不能被湿润，从而引起“
16、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。 南华大学机械工程学院毕业设计 第 8 页 共 64 页 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
17、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： 图 1.3 吊柱 其尺寸如下表 表 1.3 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 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
18、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。 南华大学机械工程学院毕业设计 第 9 页 共 64 页 C）采用的焊接结构应按下图所示。采取的焊缝系数为： 0.9. 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： 南华大学机械工程学院毕业设计 第 10 页 共 64 页 图 1.5 吊钩 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： 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：
