申請工程師論文ltl

1、中石化工程建設(shè)公司申請工程師論文填料支撐設(shè)計(jì)作者： 蘭天路評審：時(shí)間：2009年7月31日摘 要：對填料支撐結(jié)構(gòu)的形式進(jìn)行介紹，主要?dú)w納總結(jié)格柵支撐的設(shè)計(jì)，對設(shè)計(jì)過程中的要點(diǎn)進(jìn)行介紹并比較分析。關(guān)鍵字：填料支撐；柵板支撐；格柵板；支撐梁 ；V型絲網(wǎng)；1. 刖言在化工設(shè)備設(shè)計(jì)中，對于填料塔、反應(yīng)器等設(shè)置有填料的容器，填料支撐是其主要元件 之一。填料支撐在設(shè)計(jì)中屬于非受壓元件，又沒有一定的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)去遵循，但它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的是否合理，直接影響到整臺(tái)設(shè)備的使用效果。在此，我就填料支撐設(shè)計(jì)中所涉及的問題作個(gè)簡要總結(jié)。2. 填料支撐的設(shè)計(jì)2.1填料支撐的設(shè)計(jì)要求填料支撐裝置對保證填料設(shè)備的操作性能具有重大作

2、用，設(shè)計(jì)合理的支撐結(jié)構(gòu)是非常重要的。對填料支撐裝置的基本要求是：a. 有足夠的強(qiáng)度以支撐填料的重量；b. 提供足夠大的空隙率，盡量減小氣液兩相的流動(dòng)阻力；c. 有利于液體的再分布；d. 耐腐蝕性能滿足介質(zhì)要求；e. 便于制造，安裝拆卸方便等。評價(jià)填料支撐裝置的性能優(yōu)劣，主要根據(jù)它能否在支撐板與填料的接觸區(qū)內(nèi)，提供足夠的剛度和空隙率。有效空隙率的高低除與填料形式有關(guān)外，更取決于支撐板的結(jié)構(gòu)。2.2填料支撐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常見的典型支撐板結(jié)構(gòu)有梁型氣體噴射式支承板和柵板。梁型氣體噴射式支承板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：剛性好，允許載荷大；對氣體和液體提供了不同的通道，氣相流道的自由截面積大，使氣體容易進(jìn)入填料層內(nèi)，氣

3、體通過支承板的壓降??；而液體也可以自由排出，既避免了液體在板上的聚集，又有利于液體的均勻再分配。而柵板的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，并在中小型填料支撐結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最為普遍。本文只對柵板這種支撐板形式進(jìn)行說明。關(guān)于柵板支撐的結(jié)構(gòu)，主要分為兩部分：用于直接支撐填料的格柵板和對格柵板及整個(gè) 支撐結(jié)構(gòu)起作用的支撐件，這里的支撐件主要包括支撐圈和支撐梁。除了容器內(nèi)徑D< 350mm時(shí)，可做成不可拆的形式，直接與筒壁相焊之外，在其他的情況下，柵板應(yīng)作為可拆件，由 支撐圈和支撐梁等支撐件支撐。在容器直徑不大，載荷較小的情況下，格柵結(jié)構(gòu)由焊接在容器內(nèi)壁上的支撐圈支撐即能滿足要求（見圖1），在這里，格柵由螺栓

4、/母與壓圈角鋼、支撐圈和絲網(wǎng)連接在一起。而當(dāng)容器直徑或載荷較大，以致支撐圈無法滿足支撐要求的情況下， 需采用牛腿支撐的支撐梁結(jié)構(gòu)，與支撐圈一起共同支撐格柵及填料（見圖2），必要時(shí)，支撐圈需要筋板加強(qiáng)。當(dāng)然，對于可拆的格柵板，其分塊的要求是能從人孔中進(jìn)出并便于安裝。圖2支撐梁支撐結(jié)構(gòu)圖1支撐圈支撐結(jié)構(gòu)2.3格柵板的設(shè)計(jì)格柵板用扁鋼條和扁鋼圈焊接而成（如圖3所示）圖3 格柵基本結(jié)構(gòu)工藝條件要求工藝條件對格柵總體尺寸、格柵的承重強(qiáng)度、格柵的流通面積等均有所要求。其中格柵 總體尺寸由筒體內(nèi)徑?jīng)Q定； 格柵承重強(qiáng)度由填料重量及床層壓降等因素決定；而對空隙率的要求則決定了柵板的設(shè)計(jì)尺寸、間距。此外，設(shè)計(jì)格柵

5、板時(shí)為防止填料堵塞矩形通道，造成柵板附近的流通面積減小，設(shè)計(jì)時(shí)除考慮采用適宜的柵條間距外，還應(yīng)根據(jù)填料的形狀和粒徑考慮設(shè)置絲網(wǎng)。還有，在柵板和填料之間鋪設(shè)一層瓷球，作為過渡支撐，以取得較大空隙率。根據(jù)工藝要求，在柵板具體設(shè) 計(jì)中還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)、材料、許用應(yīng)力、腐蝕裕量等諸多因素。232結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(1) 格柵板分塊設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)筒體內(nèi)徑尺寸確定格柵板的分塊。當(dāng)筒體內(nèi)徑較小時(shí)，可采用整塊式柵板，筒徑D< 350mm時(shí)，柵板可直接焊在筒壁上；筒徑D=400500mm時(shí)，柵板可設(shè)計(jì)成可拆結(jié)構(gòu)，整塊柵板由焊接于筒壁的支持圈支撐。當(dāng)筒徑較大時(shí)，宜采用分塊式柵板。筒徑D=600800mm時(shí)，柵板可分為兩塊

6、；筒徑D=9001200mm時(shí)，柵板可分為三塊；筒徑D=14001600mm時(shí)，柵板可分為四塊；當(dāng)筒徑再大時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行分塊，但需注意的是，每個(gè)柵板塊的邊緣均需穩(wěn)定搭放在支持圈或支撐梁上，以保證其穩(wěn)固，同時(shí)，分塊式柵板每塊的寬度和重量應(yīng)考慮其由設(shè)備人孔的 進(jìn)出和安裝。(2) 柵板鋼條形狀選取柵板一般采用扁鋼條與扁鋼圈焊接而成，也有用圓鋼代替扁鋼的情況，對此可分析兩種截面的力學(xué)特性，加以比較。我們知道，柵板鋼條的力學(xué)模型可最終簡化為受均布載荷的簡支梁（見圖4），其最大彎矩和最大撓度位于簡支梁的中心，其值為：圖5截面示意圖最大彎矩M =；最大撓度 f5qL48384 E I10-6而鋼條的

7、最大彎曲應(yīng)力MB W對于扁鋼截面：慣性矩ab2W抗彎模量1ab3（見圖5）612對于圓鋼截面：慣性矩nd3W抗彎模量1二 d 4（見圖5）3264通過對比可以看出，扁鋼截面抗彎模量要遠(yuǎn)大于圓鋼； 而當(dāng)流通面積一定，也就是說柵 板鋼條間距一定的時(shí)候，扁鋼的高度b還可以根據(jù)需要增加。由此可見，柵板鋼條形狀應(yīng)選 取扁鋼。（3）柵板鋼條尺寸及間距的選取柵板鋼條尺寸及間距的選取要考慮流通量要求、塔徑、塔體橢圓度、填料直徑、填料層高度、柵板加工制造等因素。首先根據(jù)工藝條件對流通量的要求，估算格柵間距，例如流通量為80%，則由式C -t丄亠” 80%計(jì)算S,即S :' 5t ,由此估算格柵間距。S但

8、還需要考慮的是， 支撐圈、梁的設(shè)置都會(huì)阻擋流通面積，所以在此基礎(chǔ)上應(yīng)適當(dāng)加大S,以保證足夠的流通面積。S -t證：丄亠一 ta n15此外，在確定格柵間距和高度時(shí)還應(yīng)考慮便于焊接，設(shè)最小焊接夾角為15度，則應(yīng)保其中，s柵條間距；t柵條厚度；H 柵條高度（見圖 6）略去我們知道，柵條受力可簡化為一條受均布載荷的兩端簡支梁，計(jì)算柵條的強(qiáng)度時(shí),填料對塔壁的摩擦阻力，則作用于柵條上的總載荷P(N)為：P = Pp + Pl式中 Pp 填料重量，Pp二HL2Pg 10；N ；H 填料層高度，m;L 柵條長度，cm;t柵條間距，cm;訂 填料的堆積密度，kg/m3;Pl 填料層的持液量，N ；對于顆粒填料

9、：PL = 0.35HLt PLg如0對于絲網(wǎng)填料：PL =0.05HLtPLg "0液體密度，kg/m。圖6 柵條示意圖PL 對于簡支梁，最大彎矩為 M。但是，實(shí)際上柵條上的載荷分布是不均勻的,8為安全起見，可假定：-PLM( N -cm )6而其截面抗彎模量 W為：123W = (S-C)(h-C) (cm3)式中 S柵條厚度，cm;h 柵條高度，cmC 腐蝕裕量，cm。于是，可核算柵條的彎曲應(yīng)力c :MPLW 二(S _C)(h _C)2 '(Pa)（4）支撐圓鋼結(jié)構(gòu)選取為增加?xùn)虐宓恼w剛性和穩(wěn)固性,式有以下兩種：在柵板鋼條之間通常要以圓鋼相連接。支撐圓鋼的形a.圓鋼焊

10、接在扁鋼條底部（如圖2）,優(yōu)點(diǎn)是操作簡單、便于焊接，缺點(diǎn)是穩(wěn)固性差。b.圓鋼焊接在柵板之間（如圖3）,優(yōu)點(diǎn)是格柵板的整體穩(wěn)固性高，缺點(diǎn)是操作復(fù)雜,焊接工作量大。圖8坤1乖（5）格柵結(jié)構(gòu)的改進(jìn)上述柵板結(jié)構(gòu)還存在一些缺點(diǎn)。第一，連接格柵條的扁鋼圈與支持圈之間常常積存壁流液體，不易排出。改進(jìn)方法為減小扁鋼圈的高度，一般取格柵高度的2/3,使其與支持圈之間留有一定的空隙（見圖9）。第二、分塊柵板組裝時(shí)，各塊之間常有卡嵌現(xiàn)象。改進(jìn)方法為將各分塊之間的間距改用定距環(huán)保證（見圖10）。對于容器直徑較大、柵塊分塊較多的情況，也可在各分塊之間焊接一定大小的圓鋼，以保證分塊柵板的組裝。1丁 j1丄1i扁鋼圈支持圈

11、圖9圖10233許用應(yīng)力的確定由于格柵屬于非受壓的受力元件，因此其許用應(yīng)力不能按照受壓元件許用應(yīng)力選取，而2應(yīng)取2/3材料屈服強(qiáng)度，即-=-cs 。3 s腐蝕裕量根據(jù)HG20580-1998規(guī)定，容器內(nèi)件與殼體材料相同時(shí)，容器內(nèi)件的單面腐蝕裕量按下表選?。航Y(jié)構(gòu)形式受力狀態(tài)腐蝕裕量不可拆卸或無法從人孔取出者受力取殼體腐蝕裕量不受力取殼體腐蝕裕量的1/2可拆卸并可從人孔取岀者受力取殼體腐蝕裕量的1/4不受力0根據(jù)設(shè)備專業(yè)設(shè)計(jì)通用統(tǒng)一規(guī)定：雙面與介質(zhì)接觸，不與筒體直接相焊的碳鋼，低合金鋼元件，每個(gè)面應(yīng)取筒體腐蝕裕量的一半。而格柵為受力元件，雙面與介質(zhì)接觸，可拆卸。綜合這兩個(gè)規(guī)定，取單面腐蝕裕量為1/

12、2殼體腐蝕裕量。載荷除工藝條件中另有要求外，設(shè)計(jì)中必須保證填料及其支撐件在最高工作溫度下能夠承受(1) 填料床重、支撐板重和板上任意位置的集中載荷。(2) 朝下方向上的最大操作載荷等于填料自身質(zhì)量、持液量 (15%的持液量)以及其 他內(nèi)件的質(zhì)量等。除上述要求外，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮安裝和檢、維修載荷，其大小按1000N集中荷載考慮。此外，還應(yīng)考慮附加載荷要求，即填料床的凈載荷加上凈持液量(填料容積的4%)。236撓度1/800，且最大不格柵板和梁在操作載荷條件下的向下、向上最大撓度不得超過塔徑的 超過6mm。2.4支撐梁的設(shè)計(jì)簡介梁的結(jié)構(gòu)選取支撐梁的設(shè)計(jì)要遵循如下限制規(guī)定：a梁的水平投影面積不得大于塔

13、徑與從格柵底部到下層填料頂部距離乘積的1/3 ；b. 梁的咼度不得咼于床層咼度的10%或30mm兩者中的小者；c. 梁的最大寬度為100mm，如果寬度或高度大于要求，應(yīng)采用桁架。常見梁有扁鋼、槽鋼、工字鋼、H型鋼幾種形式。扁鋼結(jié)構(gòu)簡單，但其抗彎模量相對較小，一般不宜使用；槽鋼容易產(chǎn)生側(cè)向偏轉(zhuǎn)，穩(wěn)定性不及工字鋼、H型鋼；工字鋼與 H型鋼是優(yōu)先選用的梁的結(jié)構(gòu)。由于本設(shè)計(jì)對梁的高度限制較嚴(yán)格，同時(shí)床層高度及壓降較大，對梁的強(qiáng)度要求較高，相對常規(guī)的型鋼工字鋼而言，H型鋼可以按照設(shè)計(jì)需要調(diào)整腹板和翼板的厚度、長短，在保證強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，節(jié)省了空間，比工字鋼更適合本設(shè)備要求，也易于制造。梁的數(shù)量選取首先，梁的數(shù)量選取要結(jié)合格柵強(qiáng)度計(jì)算，因?yàn)榱旱臄?shù)量決定了單根格柵板的長度。其次，應(yīng)考慮流通面積要求，盡可能使梁所遮蓋的流通面積減小。另外還應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)要求，節(jié)省成本。3. 填料支撐結(jié)構(gòu)的發(fā)展和總結(jié)對于填料設(shè)備而言， 其支撐結(jié)構(gòu)雖然屬于非受壓元件，其設(shè)計(jì)也無一定之規(guī)， 但是，填料支撐對于整臺(tái)設(shè)備卻起著至關(guān)重要的作用。隨著設(shè)計(jì)和應(yīng)用的發(fā)展， 近來，除了被普遍應(yīng)用的格柵支撐之外， 有一種v型絲網(wǎng)（約 翰遜網(wǎng)）支撐格柵的支撐結(jié)構(gòu)也被大量應(yīng)用在填料設(shè)備中。這種結(jié)構(gòu)（見圖11）采用將V型金屬絲以電阻焊的方式焊接在支撐桿上的形式構(gòu)成篩網(wǎng)，使