填料塔設(shè)計(jì)—機(jī)械設(shè)計(jì)

1、目錄第一章 前言 21.1 塔設(shè)備設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介 21.2 填料塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介 2第二章 設(shè)計(jì)方案的確定 32.1 裝置流程的確定 32.2 吸收劑的選擇 32.3 填料的選擇 32.4 材料選擇 3第三章 工藝參數(shù) 4第四章 機(jī)械設(shè)計(jì) 54.1 塔體厚度計(jì)算 54.2 封頭厚度計(jì)算 54.3 填料塔的載荷分析及強(qiáng)度校核 54.4 塔體的水壓試驗(yàn) 64.4.1 水壓試驗(yàn)時(shí)各種載荷引起的應(yīng)力 64.4.2 水壓試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力校核 7第五章 零部件選型 85.1 人孔 85.2 法蘭 85.3 除霧沫器 85.4 填料支撐板 8第六章 總結(jié) 9參考文獻(xiàn) 10第一章前言1.1塔設(shè)備設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介塔設(shè)備是化工、石油化工、

2、生物化工、制藥等生產(chǎn)過程中廣泛采用的氣液傳質(zhì)設(shè)備。塔設(shè)備的設(shè)計(jì)主要包括填料的選擇、 塔徑的計(jì)算、填料層總高度的計(jì)算、 壓力降的計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)等方面。其中塔設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)為本設(shè)計(jì)的 主要部分，包括設(shè)計(jì)計(jì)算塔體壁厚，考慮操作壓力、內(nèi)件及物料重力、荷載等條 件，進(jìn)行塔體應(yīng)力校核，水壓試驗(yàn)等。本設(shè)計(jì)選用填料塔為設(shè)計(jì)對(duì)象，在操作壓 力為101.3kpa,溫度為20攝氏度時(shí)，完成填料塔的機(jī)械設(shè)計(jì)。1.2填料塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介填料塔的塔身是一直立式圓筒，底部裝有填料支承板，填料以亂堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安裝填料壓板，以防被上升氣流吹動(dòng)。液體從 塔頂經(jīng)液體分布器噴淋到填料上， 并沿填料表面

3、流下。氣體從塔底送入，經(jīng)氣體 分布裝置分布后，與液體呈逆流連續(xù)通過填料層的空隙， 在填料表面上，氣液兩 相密切接觸進(jìn)行傳質(zhì)。填料塔屬于連續(xù)接觸式氣液傳質(zhì)設(shè)備，兩相組成沿塔高連 續(xù)變化，在正常操作狀態(tài)下，氣相為連續(xù)相，液相為分散相。圖1-1填料塔結(jié)構(gòu)圖填料塔不但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且流體通過填料層的壓降較小，易于用耐腐蝕材料制造， 所以它特別適用于處理量肖，有腐蝕性的物料及要求壓降小的場(chǎng)合。 液體自塔頂 經(jīng)液體分布器噴灑于填料頂部，并在填料的表面呈膜狀流下，氣體從塔底的氣體 口送入，流過填料的空隙，在填料層中與液體逆流接觸進(jìn)行傳質(zhì)。 因氣液兩相組 成沿塔高連續(xù)變化，所以填料塔屬連續(xù)接觸式的氣液傳質(zhì)設(shè)備。第

4、二章設(shè)計(jì)方案的確定氣體該填料塔中，氨氣和空氣混合后，經(jīng)由填料塔的下側(cè)進(jìn)入填料塔中，與從填料塔 頂流下的清水逆流接觸，在填料的作用下進(jìn)行吸收。經(jīng)吸收后的混合氣體由塔頂 排除，吸收了氨氣的水 由填料塔的下端流出。2.1裝置流程的確定本次設(shè)計(jì)采用逆流操作：氣相自塔低進(jìn)入由塔頂排出，液相自塔頂進(jìn)入由塔底排出，即逆流操作。液體氣體I逆流操作的特點(diǎn)是：傳質(zhì)平均推動(dòng)力大，傳質(zhì)速率快，分 離效率高，吸收劑利用率高。工業(yè)生產(chǎn)中多采用逆流操作。2.2吸收劑的選擇吸收劑對(duì)溶質(zhì)的組分要有良好地吸收能力，而對(duì)混合氣體中的其他組分不吸收， 且揮發(fā)度要低。所以本設(shè)計(jì)選擇用清水作吸收劑，氨氣為吸收質(zhì)。水廉價(jià)易得， 物理化學(xué)性

5、能穩(wěn)定，選擇性好，符合吸收過程對(duì)吸收劑的基本要求。且氨氣不作為產(chǎn)品，故采用純?nèi)軇?.3填料的選擇本課設(shè)選擇散裝階梯環(huán)填料。塑料填料具有輕質(zhì)、廉價(jià)、耐沖擊、不易破碎 等優(yōu)點(diǎn)，多用于吸收、解吸、萃取、除塵等裝置中。塑料填料的缺點(diǎn)是表面潤濕 性能較差，在某些特殊應(yīng)用場(chǎng)合，需要對(duì)其表面進(jìn)行處理，以提高表面潤濕性能。 本次課設(shè)選用聚丙烯填料。該過程處理量不大，所用的塔直徑不會(huì)太大，可選用 50mm聚丙烯階梯環(huán)塔填料。綜上所述選用50mm聚丙烯階梯環(huán)塔填料，其主要性 能參數(shù)查表2.1得：比表面積a： 114.2m /m ，空隙率: 0.927,干填料因子門: 143.1m42.4材料選擇本設(shè)計(jì)我們選用

6、Q-235作為填料塔的設(shè)計(jì)材料。Q235的機(jī)械性能：抗拉強(qiáng)度(ob/MPa): 375-500伸長率(S 5/% := 26 (a= 16mm )= 25 ( a16-40mm )=24 (a40-60mm )= 23 (a60-100mm )= 22 (a100-150mm )三21 (a150mm)其中a為鋼材厚度或直徑。第三章工藝參數(shù)(1)選用50mm聚丙烯階梯環(huán)填料塔，填料層高度為1500mm塔徑為800mm,(3)設(shè)計(jì)操作溫度為20 C，設(shè)計(jì)操作壓力為101.3kpa. 材料選用 Q235,其 A l=170MPa，H=170 MPa,；s=235 MPa,塔體與群 座對(duì)接焊接，塔體

7、焊接接頭系數(shù)=1-00。其他工藝參數(shù)依據(jù)下表確定填料吸收塔設(shè)計(jì)一覽表吸收塔類型：聚丙烯階梯環(huán)吸收填料塔混合氣處理量：4500m3/h名稱工藝參數(shù)物料名稱清水混合氣體操作壓力，kPa101.3101.3操作溫度，C2020流體密度，kg/m3998.21.205黏度，kg/(m*h)3.60.065接管尺寸(直徑)41.63115.9塔徑，mm800填料層咼度，mm1500壓降，KPa6.6224.1塔體厚度計(jì)算PcDi2 J- Pc第四章機(jī)械設(shè)計(jì)1.1 8002 170 1-1.1=11.04 (mm)考慮厚度附加量C=2mm,經(jīng)圓整，取-=14mm4.2封頭厚度計(jì)算PcDi20.5pc1.仆

8、8002 170 1-0.5 1.1=11.02mm考慮厚度附加量C=2mm，經(jīng)圓整，取;-n =14mm，但由于DN3400mm的橢圓形封頭厚度沒有14mm，最低只有20mm，所以選擇20mm4.3填料塔的載荷分析及強(qiáng)度校核由于塔體受到壓力、彎矩和軸向載荷的作用，因此必須計(jì)算塔設(shè)備在各種狀 態(tài)下的軸向組合應(yīng)力，并確保塔體的組合軸向拉應(yīng)力滿足強(qiáng)度條件，組合軸向壓 應(yīng)力滿足穩(wěn)定的條件。(1)塔底危險(xiǎn)截面(n - n)的軸向應(yīng)力計(jì)算:PD由內(nèi)壓引起的軸向應(yīng)力:4t0.22 34004 7.324.11MPa操作時(shí)重力及垂直地震力引起的軸向應(yīng)力:mg136919 9.81:Di te 3.14 34

9、00 7.7=17.36MPa4M2-2max彎矩引起的軸向應(yīng)力:Di 2te4 1.27 1093.14 34002 7.7= 20.5MPa(2) 塔底危險(xiǎn)截面(n - n)抗壓強(qiáng)度及軸向穩(wěn)定性驗(yàn)算 該截面上的最大軸向壓縮應(yīng)力發(fā)生在空塔時(shí)二max 皿2 匚3 -“I KB式中為設(shè)計(jì)溫度下塔壁材料的許用應(yīng)力,在20E時(shí)，塔壁材料Q235C的匕為125MPa組合系數(shù)K=1.2，B可根據(jù)GB 150M鋼制壓力容器計(jì)算:B=0.06Ete/Ri=53.7MPa- max由于(1.2x113 = 135.6 = 20.5+17.36 O1.2x53.7 = 64.44因此塔底U-U截面滿足抗壓強(qiáng)度及

10、軸向穩(wěn)定條件(3) 塔底U - U截面抗拉強(qiáng)度校核；max =；丁1 _ 匚 2 6 _ K 匚二max；2 亠3 三24.11 -17.32 20.5 三113 1.2 1 = 135.6MPa 該截面滿足抗拉強(qiáng)度要求。綜合以上各項(xiàng)計(jì)算，在各種不同危險(xiǎn)工況下塔體壁厚取20mm可以滿足整個(gè)塔體的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性要求。4.4塔體的水壓試驗(yàn)4.4.1水壓試驗(yàn)時(shí)各種載荷引起的應(yīng)力(1) 試驗(yàn)壓力和液柱靜壓力引起的環(huán)向應(yīng)力-TpT液柱靜壓力2 6Di，ei 1.370.3 3400 12-24= 237.41(MPa)Pt =1.25 p= 1.25 1.1 =1.37(MPa )液柱靜壓力=H ：

11、 1000 30 =0.3(MPa)試驗(yàn)壓力引起的軸向拉應(yīng)力pTDj1.37 34004 e 一 48= 97.04(MPa)(3)最大質(zhì)量引起的軸向壓應(yīng)力2-22g2 -2mmax433734 9.813.14 3400 12-33.21(MPa)(4) 彎矩引起的軸向應(yīng)力220.3MW Me 0.3 19.8 108 0.785 108兀 2 r-Di e40.785 34002 124.4.2水壓試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力校核(1)筒體環(huán)向應(yīng)力校核0.9；s =0.9 345 1 =3 1 05(M P a=237.41M Pa 09亠=310.5M P a滿足要求。(2) 最大組合軸向拉應(yīng)力校核二 m

12、；2, 一；打 V =97.04 33.216.17 =70(MPa)09二 s =0.9 1 3 4 5=3 1 05(M Pa二叮；=70M P a： 09匚 s =3 1 05M P a滿足要求。(3) 最大組合軸向壓應(yīng)力校核二m：=：；尸 打=33.216.17 =39.38(MPa )二m： =39.38MPa ：r = min XB ,09smin121,310.5121(MPa)；滿足要求第五章 零部件選型5.1 人孔對(duì)于大直徑塔可以設(shè)置人孔作為填料卸料孔，對(duì)于小直徑塔可以設(shè)置手孔作 為填料卸料孔。填料卸料孔內(nèi)部應(yīng)該設(shè)置擋板，否則，在每次更換法蘭墊片是， 必須要把填料全部卸出 ,

13、 換完以后在重新填料，這樣就非常麻煩，小到增加費(fèi)用， 大到影響生產(chǎn)，耽誤工期。為方便進(jìn)行檢修、清洗和更換零部件，吸收塔共設(shè)置 3 個(gè)人孔，人孔直徑 D=500mm人孔類型：回轉(zhuǎn)蓋帶頸平焊法蘭人孔。公稱壓力： 0.32MPa，公稱直徑：500mm5.2法蘭法蘭結(jié)構(gòu)是一個(gè)組合件， 一般是由聯(lián)接件，被聯(lián)接件， 密封元件組成。法蘭 密封結(jié)構(gòu)由法蘭（被聯(lián)接件） 、墊片（密封元件）、螺栓、螺母、（聯(lián)接件）組成。 冷凝器采用螺紋法蘭連接。 螺紋法蘭的特點(diǎn)是法蘭與管壁通過螺紋進(jìn)行聯(lián)接， 二 者既有一定的聯(lián)接，又不完全形成一個(gè)整體。方便拆卸、清洗、維修。本次設(shè)計(jì) 選用DN250PN0.6Mp的管法蘭。5.3 除

14、霧沫器 為捕集除填料層氣流中夾帶的也低和霧沫，保證分離質(zhì)量，在塔頂部液體入 塔初始分布器的上方設(shè)置一定形式的除霧沫器。此塔采用絲網(wǎng)式除霧沫器，由金 屬絲網(wǎng)作除霧元件，固定在兩塊柵格板間，絲網(wǎng)層厚度取為150mm。5.4 填料支撐板 填料支承板的作用是支承填料床層。該塔選用梁式元件組合的多梁支撐板，其每條支撐梁的寬度為 290mm，高為300mm ;各梁底面間用定距凸臺(tái)保持 10mm的間隙向下排液體。梁上所開供氣體噴出的條孔尺寸以不應(yīng)使20mm填料下漏為宜。第六章總結(jié)本次設(shè)計(jì)主要是對(duì)水吸收氨過程填料塔的機(jī)械設(shè)計(jì)。填料塔是以塔內(nèi)裝有大 量的填料為相接觸構(gòu)件的氣液傳質(zhì)設(shè)備。填料塔的結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，壓降低

15、，填料易 用耐腐蝕材料制造等優(yōu)點(diǎn)。通過這次的課程設(shè)計(jì)，我學(xué)到了很多機(jī)械設(shè)計(jì)的知識(shí)。課程設(shè)計(jì)是我們化工 學(xué)生必須經(jīng)過的一個(gè)過程，通過課程設(shè)計(jì)的鍛煉，可以為我們將來的畢業(yè)設(shè)計(jì)打 下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，提高自己的繪畫技術(shù)及設(shè)計(jì)能力，更特別是對(duì)塔設(shè)備各方面的了 解和設(shè)計(jì)。此外，通過這次對(duì)填料吸收塔的設(shè)計(jì)，培養(yǎng)了我們各方面的能力，首 先培養(yǎng)了我們查閱資料，選用公式和數(shù)據(jù)的能力，其次還可以從技術(shù)上的可行性 與經(jīng)濟(jì)上的合理性兩方面樹立正確的設(shè)計(jì)思想，分析和解決工程實(shí)際問題的能力， 學(xué)會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)的塔設(shè)備進(jìn)行應(yīng)力校核，壓力試驗(yàn)等，最后將設(shè)計(jì)的塔設(shè)備以手繪圖 的形式展現(xiàn)，借用圖以及用簡(jiǎn)潔文字，圖表表達(dá)設(shè)計(jì)思想的能力。不僅讓我將所 學(xué)的知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際中，而且對(duì)知識(shí)也是一種鞏固和提升充實(shí)。在我們整個(gè)團(tuán)隊(duì) 四人的努力下完成了設(shè)計(jì)任務(wù)，雖然復(fù)雜，過程也很辛苦，