尾气洗涤塔毕业设计.doc

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1、摘要在化工、炼油、医药、食品及环境保护等工业部门，塔设备是一种重要的单元操作设备。塔设备的性能对于整个装置的产品产量、质量、生产能力和消耗定额，以及三废处理和环境保护等各个方面，都有重大影响。洗涤塔是一种新型的气体净化处理设备。它是在可浮动填料层气体净化器的基础上改进而产生的，广泛应用于工业废气净化、除尘等方面的前处理，净化效果很好。由于其工作原理类似洗涤过程，故名洗涤塔。洗涤塔与精馏塔类似。本文主要介绍了洗涤塔的设计，着重叙述了塔设备结构的确定、材料的选择、强度的计算、地震载荷以及风载荷的计算等。本设备主要分为气液接触区、洗涤区和气液分离区。各工序产生的待处理的尾气通过管道分别进入尾气洗涤塔

2、内与液体接触，经由筛板进行洗涤，废气中的污染物被水解中和，废液从塔底排出，处理后的尾气从塔顶排放。关键词：塔设备、尾气洗涤、结构设计AbstractIn the chemical industry, oil refining, pharmaceutical, food and environmental protection and other industrial sectors, tower equipment is an important unit operation equipment. Performance tower equipment for all aspects of t

3、he entire device product yield, quality, production capacity and fixed consumption, and waste treatment and environmental protection, which have a significant impact.Washing tower is a new gas purification equipment. It is based on a floating layer of packing can be improved on gas purifier produced

4、 is widely used in pre-treatment of industrial waste gas purification, dust, etc., clean with good results. Because it works like a washing process, named scrubber. Similar to the distillation column scrubber. This paper describes the design of the scrubber, focused narrative device for determining

5、 the structure of the tower, the choice of materials, calculating the strength of calculating wind loads and seismic loads and so on.The equipment is mainly divided into gas-liquid contact area, washing area and a gas-liquid separation zone. The exhaust gas to be treated is produced by a step into t

6、he exhaust duct, respectively with the washing liquid contacting column, washed through the sieve, the exhaust gas contaminants and hydrolysis, waste liquid discharged from the bottom, from the top of the exhaust gas after treatment emissions.Keywords: tower equipment, washing exhaust, structural de

7、sign目录摘要I第一章 概述1第二章 塔设计内容32.1设计参数的确定32.1.1 塔结构简图32.1.2 主体材料及选型32.1.3 基本参数52.2 设计计算62.2.1 筒体和封头厚度的确定62.2.2设备质量的计算72.2.3 设备自震周期的计算102.2.4 地震载荷以及地震弯矩的计算112.3风载荷和风弯矩的计算142.3.1风载荷计算152.3.2 风弯矩的计算182.4 最大弯矩的计算192.4.1 00塔底截面：202.4.2 II截面：202.4.3 IIII截面:202.5 圆筒应力校核212.6 裙座壳轴向应力校核222.7基础环厚度的计算242.8地脚螺栓的计算25

8、2.9 裙座与塔体的连接焊缝的验算272.10 筋板的设计和计算282.11盖板的设计和计算282.12接管和法兰的选用292.12.1进液管292.12.2出液管292.12.3塔顶尾气出口302.12.4塔体进气出口302.12.5法兰的选择302.13开孔补强的设计和计算312.13.1进气管、出气管的开孔补强322.13.2人孔开孔补强34第三章 浮阀塔盘设计计算及辅助装置选取383.1溢流装置的设计383.1.1降液管类型与溢流方式的选取383.1.2溢流装置的设计计算393.1.3 塔板布置403.1.3 浮阀的数目与排列403.2 除沫器423.3 吊柱的选择443.4人孔尺寸的

9、选择44第四章 塔设备的制造、安装454.1 制造要求454.2 焊接及其特点454.3 热处理464.4 设备的安装47附录A 致谢和设计总结48附录B 主要符号说明49参考文献53 第一章 概述塔设备是在一定条件下，将能达到气液共存状态的混合物实现分离、纯化的单元操作设备，广泛用于炼油、精细化工、环境工程、食品工程、医药工程和轻纺工程等行业和部门中。其投资在工程设备投资总额中占很大的比重，一般约占20% 50%。塔设备与化工工艺密不可分，不管多好的工艺路线，没有良好的与之匹配的化工设备，就不会达到预期的设计效果，也就实现不了预期的设计指标。因此，塔设备是工艺过程得以实现的载体，直接影响着生

10、产产品的质量和效益。塔设备能够为气、液或液、液两相进行充分接触提供适宜的条件，即充分的接触时间、分离空间和传质传热的面积，从而达到相际间质量和热 量交换的目的，实现工艺所要求的生产过程，生产出合格的产品。所以塔设备的性能对整个装置的产品产量、质量、生产能力和消耗定额，以及三废处理和环境保护等方面部有着重大的影响。塔设备的投资费用及钢材耗量仅次于换热设备。据统计，在化工和石油化工生产装置中，塔设备的投资费用占全部工艺设备总投资的25.39，在炼油和煤化生产装置中占34.85；其所消耗的钢材重量在各类工艺设备中所占比例也是比较高的，如年产250万吨常减压蒸馏装置中，塔设备耗用钢材重量占45.5，年

11、产120万吨催化裂化装置中占48.9，年产30万吨乙烯装置中占2528.3。可见塔设备是炼油、化工生产中最重要的工艺设备之一，它的设计、研究、使用对化工、炼油等工艺的发展起着重大的作用。 塔设备按其结构特点可分为板式塔、填料塔和复合塔3类。本洗涤塔采用了塔设备中的筛板塔，主要结构有吊柱、除沫装置、扶梯平台、人孔、壳体、气体入口孔、裙座、塔盘、气体出口孔、液体进口孔、液体出口空等组成。洗涤塔是一种新型的气体净化处理设备。它是在可浮动填料层气体净化器的基础上改进而产生的，广泛应用于工业废气净化、除除尘等方面的前处理，净化效果很好。本设备用于尾气处理阶段，据其工艺作用，该洗涤塔由下段的气液接触区、中

12、段的洗涤区和上端的气液分离区组成。尾气进入洗涤塔进行洗涤，洗涤完毕后由塔体上端出口管道排出。综合考虑了强度，刚度以及经济性，对该洗涤塔做出了如下设计。由于作者水平有限，有不足之处望读者提出宝贵意见，在此深表感谢。 董启明 2014年6月10日 第二章 塔设计内容2.1设计参数的确定2.1.1 塔结构简图 图21 2.1.2 主体材料及选型压力容器材料费用占总成本的比例很大，一般超过30%。材料的性能对压力容器运行的安全性有显著的影响。选材不当，不仅会增加成本，而且有可能导致压力容器破坏事故。过程生产的复杂性和过程设备的多功能性，给选材带来一定的复杂性；材料科学所具有的半科学办经验（工艺）性质给

13、选材增加了难度；材料在过程设备设计、制造、检验各环节中相对处于比较落后的状态。因此，合理选材是压力容器设计的难点之一。选材要综合考虑板材、管材、锻材、棒材等不同类型钢材之间的匹配，而不仅仅是确定钢材牌号及其相应的标准。必要时，还要根据实际需要，确定钢材采购的附加保证要求，如：敏感元素的控制、较高性能要求、由供需双方商议的检测检验项目的确定等。 （1）塔体 根据设计温度（-10/60）、设计压力(0.1MPa)、介质特性和操作特点等综合因素，塔体材料用0Gr18Ni9，塔体直径较大D=3000，属于大塔径设备，本洗涤塔选用筛板塔（2）塔盘 本设备采用分块式溢流塔盘（圆浮阀塔盘），它由塔板、降液管

14、受液槽、溢流堰和气液解除元件组成。 图22（3）封头 压力容器封头的总类较多，分为凸形封头、锥壳、变径段、平盖及紧缩口等，其中凸形封头包括半球型封头、椭圆形封头、碟形封头和球冠型封头。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。 根据设备的工艺条件和工作压力等选用标准椭圆型封头，材料用0Gr18Ni9按JB/T4746-2002钢制压力容器用封头见下表2.1及下图2-3 图23表2.1 以内径为公称直径的椭圆形封头的尺寸、内表面积和（JB/T4337-95）公称直径DN（mm）曲面高度h1（mm）直边高度h2（mm）内表面积Fh（mm2）容积VH(mm3)3

15、0007504010.153.817（4） 裙座 裙座是最常见的塔设备支撑结构，按所支撑设备的高度与直径比，裙座可分为圆筒形和圆锥形两种，本设备采用圆筒式裙式支座，材料用Q235-A和0Gr18Ni9两种2.1.3 基本参数 根据生产工艺和实际需求得到各设计参数如下：工作压力：0.023MPa， 设计压力:0.1MPa， 工作温度：14/40,设计温度：-10/60, 物料：尾气、水， 焊接系数：0.85,基本风压：400N/m2 地震烈度：8 ， 腐蚀余量;0 mm ,场地类别：II ， 塔体材料：0Gr18Ni9 。2.2 设计计算2.2.1 筒体和封头厚度的确定塔体和封头材料都用0Gr1

16、8Ni9 t=137MPa；设计压力为0.1MPa，根据实际情况，算出液柱静压力为0.0119MPa0.005MPa，故而，PC=0.1+0.0119=0.1194MPa,圆筒的厚度： =1.85mm设计厚度=+C2=1.85mmC1按相应钢板的标准选取， 表2.2钢板负偏差C1钢板厚度6-78-2526-3032-3436-4042-5052-60负偏差0.60.80.911.11.21.3选C1=0.8，C2=0, 因而名义厚度n=3mm，又根据风载和地震载荷的影响名义厚度n取18mm。封头的计算： 封头用标准椭圆形封头，此时 K=1,封头的壁厚公式为： =1.83 mm=+C2=1.83

17、mm，钢板负偏差C1=0.8 ，名义厚度n可取3mm，又考虑到风载和地震载荷的影响，封头的名义厚度n取18 mm。2.2.2设备质量的计算 （1）塔体和裙座的质量： =7104.63kg （2）人孔、法兰接管等附件的质量： ma =0.25m01 =1776.16 kg （3）塔内构件质量： 取塔盘质量为65kg/mm2 =6432.4kg （4）扶梯、平台的质量： 平台单位质量为150kg/m2，平台宽度取1m；每隔5米设一平台。笼式扶梯单位质量为40kg/m。扶梯质量： 平台质量： 所以m04 = 642+1655 = 2297 kg （5）操作时塔内物料的质量： 每块塔板存留介质高62.

18、5mm，介质密度1000kg/m3 （6）充水的质量 （7）塔设备操作时的质量： m0 = m01+m02+m04+m05+ma =33161.19 kg （8）塔设备最大的质量（水压试验）： mmax = m01+m02+m04+m05+ma+mw =96531.19kg （9）塔设备的最小质量： mmin = m01+0.2m02+m04+m05+ma =12464.27kg将以上数据列表如下： 表2.3序号 m01 m02 m04 m05 ma mw m0 mmax mmin质量7104.63 6432.4 2297 17848 1776.17 81218.0 33161.19 9653

19、1.19 12464.27 （10）个计算段的质量：将全塔沿高分为9段，其中裙座分3段，筒体均匀分为6段，（如图所示）， 图24 表2.4 单位：kg段号123456789m01+ma528.9799.41000.31058.71058.71058.71058.71058.71058.7 m02 0001072.11072.11072.11072.11072.11072.1 m043871.871.8902.975.4902.975.475.475.4m05 0002974.72974.72974.72974.72974.72974.7 mw00013536.313536.313536.313

20、536.313536.313536.3m0566.9871.21072.16008.45180.96008.45180.95180.95180.9mmax566.9871.21072.119544.718717.219544.718717.218717.218717.2 mmin566.9871.21072.12176.01348.52176.01348.51348.51348.52.2.3 设备自震周期的计算在动载荷（风载荷、地震载荷）的作用下，塔设备各截面的变形及内力与塔的自由振动周期（或频率）及振型有关。因此在塔设备的载荷计算和强度校核之前，必须首先计算其自振周期。本塔设备属于等直径设备

21、 自振周期 =0.2s 2.2.4 地震载荷以及地震弯矩的计算地震起源于地壳深处，通过岩石或土壤向地球表面传播。当地震波传到地面时，引起地面的突然运动，从而迫使地面上的建筑物和设备发生振动。地震发生时，地面运动是一种复杂的空间运动，可以分解为三个平动分量和三个转动分量。鉴于转动分量的实测数据很少，地震载荷计算时一般不考虑。地面水平方向（横向）的运动会使设备产生水平方向的振动，危害较大。而垂直方向（纵向）的危害较横向振动要小，所以只有地震烈度为8度或9度地区的塔设备才考虑纵向振动的影响。 根据设计参数要求，地震烈度为8度，此情况不仅考虑水平地震力对塔设备的影响，而且还考虑垂直地震力的影响。查过

22、程设备设计表710得地震影响系数最大值max 为0.16，场地土类型为II，场土地的特性周期Tg为0.35，水平地震力： 式中，mp集中单位质点的质量，kg； g 重力加速度，m/s2 地震影响系数，根据场地土的特性周期及塔的自振周期确定。垂直地震力： 式中，vmax 垂直地震影响系数的最大值，取vmax = 0.65max； meq 塔设备的当量质量，取meq=0.75m0 ， kg； m0 塔设备操作时的质量，kg。塔任意质点的垂直地震力： 将塔沿高度方向分为9段，视每段高度之间的质量为作用在该段高度1/2处的集中质量，各段集中质量对该截面所引起的地震力见下表2.5 图2-5 表2.5塔段

23、123456789备注mi 566.9871.21072.16008.45180.96008.45180.95180.95180.9hi4751847.53642.55482.57367.59252.511137.513022.514907.5hi1.5(106)0.010.080.220.410.630.891.181.491.82Mihi1.5(109)0.0050.070.2362.4633.2745.3476.1137.729.4334.658109Mihi3(1012)0.0615.4940.5189.90120.71947.59271.576114.416171.64043.641

24、015续表2.5A/B A/B=7.94110-70.0080.0640.1750.3260.5020.7070.9371.1831.445 = 0.9+(0.05-)/(0.5+5)=0.9732 2=1+(0.05-)/(0.06+1.7)=1.5191 1=(TG/T)2maxF1k ,N18.67229.47772.238062.1710704.8417484.5219981.1425226.9830814.2mkhk1060.2691.6103.90532.94138.17055.59757.70267.46877.234334.896vmax vmax=0.65max=0.104m

25、eq ，kgmeq=0.75m0=0.7533161.19=24870.89FV0-0,N FV0-0=vmaxmeqg=0.10424870.899.8=25348.41FVi，N20.36121.86295.572493.322889.104208.164367.495106.685845.87FVi-i,N25428.425328.124910.7地震弯矩： 对于等直径、质量近似均匀的塔设备，且H/D=5.3515，所以不考虑高振影响。00截面的地震弯矩： = 1.299109 NmmII截面的地震弯矩： = 1.191109 NmmIIII截面的地震弯矩： =4.980109Nmm2.

26、3风载荷和风弯矩的计算安装在室外的塔设备将受到风力的作用。风里除了使塔体发生应力和变形外，还可能使塔体产生顺风向的振动（纵向振动）及垂直于风向的诱导振动（横向振动）。过大的塔体应力会导致塔体的强度及稳定失效，而太大的塔体挠度则会造成塔盘上的流体分布不均，从而使分离效率下降。因风载荷是一种随机载荷，因而对于顺风向风力，可视为由两部分组成：平均风力，又称稳定风力，他对结构的作用相当于静力的作用；脉动风力，又称阵风脉动，他对结构的作用是动力的作用。平均风力是风载荷的静力部分，其值等于风压和他设备迎风面积的乘积。而脉动风力是非周期性的随即作用力，他是风载荷的动力部分，会引起塔设备的振动。计算时，通常将

27、其拆成静载荷，即在静力的基础上考虑与动力有关的折算系数，称风振系数。2.3.1风载荷计算 塔设备中第i计算段所受水平分力： Pi=K1K2ifiq0liDei 式中，Pi 塔设备中第i段的水平风力，N; Dei _ 塔设备中第i段的迎风面的有效直径，m； fi 风压高度变化系数； q0 各地区基本风压，N/m2 li 塔设备各计算段的计算高度（见图），m； K1 体型系数； K2i 塔设备中第i计算段的风振系数。（1）基本风压： q0=1/2v02 式中， q0 基本风压，N/m2 空气密度，随当地高度和温度而异，kg/m3； v0 基本风速，m/s。 中国设计规范中，对空气密度，统一采用一个

28、大气压下、10时的干空气计算，即=1.25kg/m3；基本风速v0则采用该地区离地面高度10m处，30年一遇，采用10min为时距所得的平均最大风速。本塔设备查过程设备设计表7-4基本风压，基本风压q0=400N/m2，（2）高度变化系数： 由于风的粘滞作用，当他与地面上的物体接触时,形成一具有速度梯度的边界层气流。因而风速或风压是随离地面的高度而变化的。研究表明：在一定的高度范围内，风速沿高度变化呈指数规律，风压等于基本风压q0与变化系数fi的乘积，风压高度变化系数fi查查过程设备设计，对于田野、乡村、丛林、丘陵、以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区风压高度的变化系数fi取值如下： 表2.6距高

29、度H 5m 10m 15m 20m 30m fi 1.00 1.00 1.14 1.25 1.42 （3）体型系数K1 同样的在风速条件下，风压在不同体型的结构表面分布是不相同的，对细长的圆柱形塔体结构，考虑到他体表面粗糙度以及附件的影响，在塔设备设计中，通常取体型系数K1=0.7 （4）风振系数K2i 风振系数K2i 是考虑风载荷的脉动性质和塔体的动力特性的折算系数。塔的振动会影响到风力的大小，当塔设备很高时，基本周期越大，塔体摇晃越大，则反弹时在同样的风压下引起更大的风力。度塔高H 20 的塔设备，取K2i =1.70. （5）塔设备迎风面的有效直径 Dei 塔设备迎风面的有效直径 Dei

30、是该段所受风压构件迎风面的宽度总和。 本塔设备笼式扶梯与塔顶管线布置成180， 式中， Doi 塔设备各计算段的外径，m； si 塔设备各计算段保温层厚度，m； do 塔顶管线外径，m； pi 管线保温层厚度，m； K3 笼式扶梯当量宽度，无确定数据，可取K3=0.4m； K4 操作平台的当量宽度，m，； 第i段内操作平台构件的投影面积（不计空档的投影面积），； ho 操作平台所计算段的塔的高度，m。表2.7塔段号123456789塔段度长0-0.950.95-2.752.75-4.544.54-6.436.43-8.318.31-10.2010.20-12.0812.08-13.9713.9

31、7-15.85q0400K10.7K2i1.7fi（B）1.01.01.01.01.01.141.141.141.25li95017951795188518851885188518851885K3400K4600Doi471247124712481247124812471247124712pi2130.774026.034026.034317.624227.984922.084819.794819.795242.582.3.2 风弯矩的计算 计算风弯矩时，按式（2.31）先分段求出风载荷pi后即可近似地把pi视作在该作用点1/2处的合力而求风弯矩。 图26风弯矩计算简图 任意截面的风弯矩： 因

32、盖塔H/D=5.35 15，且H30m，故不考虑横风向风振。（1）00截面的风弯矩： = 3.713108N/mm (2) II截面的风弯矩： = 2.825108N/mm(3) IIII截面的风弯矩： = 1.663108N/mm2.4 最大弯矩的计算 确定最大弯矩时，偏保守地假设风弯矩、地震弯矩同时出现，且出现在塔设备的同一方向。但考虑到最大风速和最高地震级别同时出现的可能性很小，在正常或停工检修时，取计算截面处的最大弯矩为 Mw + Me Mmax = ME+0.25Mw+Me 取其中的较大值由于本塔设备是等直径圆筒设备，且外部没有附属设备，故不用考虑偏心弯矩。2.4.1 塔底截面00：

33、 取其中较大值 因 故 =13.918108 N/mm （地震弯矩控制）2.4.2 II截面： 故 =12.616108 N/mm （地震弯矩控制）2.4.3 IIII截面: 故 =5.396108 N/mm （地震弯矩控制）2.5 圆筒应力校核 根据操作压力（内压货真空）计算塔体厚度之后，对正常操作、停工、检修及压力试验等工况，分别计算各工况下相应压力，重量和垂直地震力、最大弯矩引起的筒体轴向应力，再确定最大拉伸应力和最大压缩应力，并进行强度和稳定性校核。如不满足要求，则需调整塔体厚度，重新进行应力校核。根据设计要求需要验算塔壳2-2截面处操作时和压力试验时的强度和稳定性计算结果如（表2.8

34、 表2.8计算截面IIII计算截面以上塔的操作质量，kg30651.00塔壳的有效厚度，e，mm10计算截面的横截面积A=Die，mm294247.78计算截面的断面系数Z=/4Di2e ,mm37.069107最大弯矩 ，N.mm5.369108操作压力引起的轴向应力 8.96重力引起的轴向应力3.45(2.92)弯矩引起的轴向应力7.60最大组合应力11.0584最大组合拉应力13.11139.74计算截面的风弯矩 ，MPa1.663108液压试验时，计算截面以上塔的质量，113958.2续表2.8压力引起的轴向应力 （）9.375重力引起的轴向应力 11.85周向应力21.73179

35、78液压时最大组合应力12.5670液压时组大组合拉应力1.77235.8玩具引起的轴向应力0.7062.6 裙座壳轴向应力校核（1）00截面裙座壳为圆筒形，则 =0.00075 查GB 150 图6-4 得 B=75 ，且st = 113MPa故 其中，因为所以（2）II截面（人孔所在截面） 人孔lm =230mm ，bm =300mm，m =6mm，m01-1 =32594.3kg，es=10mm。 =150010-(300+26)10-223010 = 46763.98 mm2 = = 18.8106 mm3=74.6090 MPa=21.4175 MPa2.7基础环厚度的计算裙座的基

36、础环结构如图，本设备选用无筋板结构。基础环的内、外直径 基础环截面系数Zb和截面积Ab： =1.947109 mm3 =2.827106 mm2混凝土基础上的最大压应力（取下式中的大值）故取=0.84 MPa基础环有筋板的厚度（b=125 MPa）故取 = 42mm 图27 有筋板基础环2.8地脚螺栓的计算地脚螺栓的作用是使高的塔设备固定在混凝土基础上，以防止风弯矩或地震弯矩使其发生倾倒。地脚螺栓承受的最大拉应力B按下式计算 故取=0.66 MPa，地脚螺栓的螺纹小径d1为（bt=147MPa）： =22.47 mm计算得到的螺纹小径按下表所列规格，圆整成地脚螺栓的公称直径。表2.9公称直径M

37、243M273M303.5M364M424.5M485螺纹小径d120.75223.75226.22131.6737.12942.588六角螺母的对边距s364146556575故取地脚螺栓为M303.5 共用24个。图28地脚螺栓尺寸2.9 裙座与塔体的连接焊缝的验算 本塔设备裙座与塔壳连接采用对接焊缝，取Dit DI =3000mm；es=10mm焊缝承受的最大弯矩 焊缝承受质量载荷 =73.4281.36 MPa0.6tw =0.61.2113=81.36 MPa2.10 筋板的设计和计算 参照表2.10，G=14 mm;根据地脚螺栓规格选择筋板，筋板材料选用Q235-C,筋板高度mm，n1=2.筋板应力计算= 一个地脚螺栓承受的最大拉力，细长比临界细长比，因为,所以筋板满足要求。2.11盖板的设计和计算地脚螺栓之间的距离=（DO+2B）/n=(3012+265)/32=308（mm）选用环形