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1、1 目录1.概述31.1 填料塔的概述31.1.1 填料的类型41.1.2 填料的几何特性51.1.3 填料的性能评价51.2 填料塔的流体力学性能61.2.1 填料层的持液量61.2.2 填料层的压降61.2.3 液泛61.2.4 液体喷淋密度和填料表面的润湿71.2.5 返混71.3、 课题设计内容、设计参数71.3.1 设计内容71.3.2 设计主参数的确定72环形散装填料塔的结构设计82.1 填料的选择82.2 塔的内件选型及设计92.2.1 填料支承板92.2.2 填料压板92.2.3 液体初始分布器102.2.4 液体收集和再分布器（液体再分配装置）112.2.5 除雾沫器123
2、.填料塔的载荷分析及强度校核123.1筒体和封头厚度计算123.2载荷分析143.2.1塔设备质量载荷计算143.2.2自振周期的计算163.2.3地震载荷与地震弯矩的计算163.2.4风载荷与风弯矩的计算183.2.5 偏心弯矩223.3强度校核233.3.1圆筒轴向力校核和圆筒稳定校核233.3.2塔设备压力试验时的应力校核243.3.3裙座轴向应力校核253.3.4基础环和地脚螺栓设计及校核273.3.5筋板设计及校核293.3.6盖板设计及校核303.3.7裙座与塔壳的对接焊缝313.3.8接管计算324 其他零部件的选取计算324.1静电接地板324.2塔顶吊柱325.翻译325.1
3、英文文献325.2 英文文献翻译406.参考文献：447.谢 词451.概述1.1 填料塔的概述在石油、化工及轻工等行业中所设计到的均相流体分离过程，多采用吸收或径流的方法进行。所采用的设备称为气液传质设备，也称塔设备。作为塔设备，首先从结构上应能使气液两相在塔内充分接触，以获得较高的传质效率。按照塔内件结构形式，塔设备可分为两大类板式塔和填料塔。填料塔中装有一定高度的填料层，液体在填料表面行程液膜向下流动，气体自下而上与液体呈连续变化。由于填料塔的特定结构和由之决定的气液两相膜式接触传质，使之具有以下特点。1.生产能力大。2.压降低。3.分离效率较高。4.持液量小。5.操作液气比和弹性较大。
4、填料塔由塔体和内件构成。塔体一般多为圆筒型，少数亦可方型。塔内件中核心组成部分是塔填料，分散堆型和规整型。此外，为固定填料层，设有填料支撑板和填料压板；为使液体均匀分布，在填料层顶部设有液体初始分布器，为减少液体的壁流现象，常将填料层分段放置，在两段填料层之间这有液体收集再分布器，在液体初始分布器上方装有除雾沫器；对大直径填料塔，气体入填料层前需经气体分布器，还设有各种气液进出口、人孔、视孔及人孔等部件。1.1.1 填料的类型 填料是填料塔中的传质元件，它可以有不同的分类。填料的类型有两大类：拉西环矩鞍填料；鲍尔环；鲍尔环是在拉西环的壁面上开一层或两层长方形小窗。波纹填料有丝网形和孔板形两大类
5、。 对填料的基本要求有：传质效率高，要求填料能提供大的气液接触面。即要求具有大的比表面积，并要求填料表面易于被液体润湿。只有润湿的表面才是气液接触表面。生产能力大，气体压力降小。因此要求填料层的空隙率大。不移引起偏流和沟流。经久耐用具有良好的耐腐蚀性，较高的机械强度和必要的耐热性。取材容易，价格便宜。填料的种类很多，根据装填方式的不同，可分为散装填料和规整填料。 散装填料是一个个具有一定几何形状和尺寸的颗粒体，一般以随机的方式堆积在塔内，又称为乱堆填料或颗粒填料。散装填料根据结构特点不同，又可分为环形填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料等。现介绍几种较为典型的散装填料。其中有拉西环、鲍尔环、阶
6、梯环、弧鞍环、矩鞍环、金属环矩鞍环、球形填料等。1.1.2 填料的几何特性 填料的几何特性数据主要包括比表面积、空隙率、填料因子等，是评价填料性能的基本参数。（1）比表面积单位体积填料的填料表面积称为比表面积，以a表示，其单位为m2/m3。填料的比表面积愈大，所提供的气液传质面积愈大。因此，比表面积是评价填料性能优劣的一个重要指标。（2）空隙率单位体积填料中的空隙体积称为空隙率，以e 表示，其单位为m3/m3，或以%表示。填料的空隙率越大，气体通过的能力越大且压降低。因此，空隙率是评价填料性能优劣的又一重要指标。（3）填料因子填料的比表面积与空隙率三次方的比值，即a/e3，称为填料因子，以f表
7、示，其单位为1/m。填料因子分为干填料因子与湿填料因子，填料未被液体润湿时的a/e3称为干填料因子，它反映填料的几何特性；填料被液体润湿后，填料表面覆盖了一层液膜，a和e 均发生相应的变化，此时的a/e3称为湿填料因子，它表示填料的流体力学性能，f值越小，表明流动阻力越小。1.1.3 填料的性能评价 填料性能的优劣通常根据效率、通量及压降三要素衡量。在相同的操作条件下，填料的比表面积越大，气液分布越均匀，表面的润湿性能越好，则传质效率越高；填料的空隙率越大，结构越开敞，则通量越大，压降亦越低。采用模糊数学方法对九种常用填料的性能进行了评价，得出如表3-1所示的结论。可看出，丝网波纹填料综合性能
8、最好，拉西环最差。1.2 填料塔的流体力学性能 填料塔的流体力学性能主要包括填料层的持液量、填料层的压降、液泛、填料表面的润湿及返混等。1.2.1 填料层的持液量 填料层的持液量是指在一定操作条件下，在单位体积填料层内所积存的液体体积，以(m3液体)/(m3填料)表示。总持液量为静持液量和动持液量之和，即 。填料层的持液量可由实验测出，也可由经验公式计算。一般来说，适当的持液量对填料塔操作的稳定性和传质是有益的，但持液量过大，将减少填料层的空隙和气相流通截面，使压降增大，处理能力下降。1.2.2 填料层的压降 在逆流操作的填料塔中，从塔顶喷淋下来的液体，依靠重力在填料表面成膜状向下流动，上升气
9、体与下降液膜的摩擦阻力形成了填料层的压降。填料层压降与液体喷淋量及气速有关，在一定的气速下，液体喷淋量越大，压降越大；在一定的液体喷淋量下，气速越大，压降也越大。将不同液体喷淋量下的单位填料层的压降DP/Z与空塔气速u的关系标绘在对数坐标纸。1.2.3 液泛 在泛点气速下，持液量的增多使液相由分散相变为连续相，而气相则由连续相变为分散相，此时气体呈气泡形式通过液层，气流出现脉动，液体被大量带出塔顶，塔的操作极不稳定，甚至会被破坏，此种情况称为淹塔或液泛。影响液泛的因素很多，如填料的特性、流体的物性及操作的液气比等。1.2.4 液体喷淋密度和填料表面的润湿 填料塔中气液两相间的传质主要是在填料表
10、面流动的液膜上进行的。要形成液膜，填料表面必须被液体充分润湿，而填料表面的润湿状况取决于塔内的液体喷淋密度及填料材质的表面润湿性能。1.2.5 返混 在填料塔内，气液两相的逆流并不呈理想的活塞流状态，而是存在着不同程度的返混。造成返混现象的原因很多，如：填料层内的气液分布不均；气体和液体在填料层内的沟流；液体喷淋密度过大时所造成的气体局部向下运动；塔内气液的湍流脉动使气液微团停留时间不一致等。1.3、 课题设计内容、设计参数 1.3.1 设计内容1.填料的选择；2.塔内件的选型及设计；3.筒体选材及壁厚计算；4.上下封头型式、材料的确定以及厚度的计算与校核；5.地震载荷、风载荷分析及强度校核；
11、6.裙座设计及校核；7.地脚螺栓的设计及校核。 1.3.2 设计主参数的确定此次设计要求完成烷类组分（80%甲烷、10%乙烷、10%丙烷）塔的结构尺寸计算，强度计算校核，设计温度25，设计压力1.6;塔体的腐蚀裕量取2，地脚螺栓的腐蚀裕量取3；设定吸收剂为油。具体设计条件如下：设计压力：1.6设计温度：25塔直径：1.5塔高：30吸收剂密度：800地震设防烈度：7度基本风压值：350塔体建造场地：类场地土、近震、B类地区2环形散装填料塔的结构设计2.1 填料的选择参数对操作的影响常用数值填料尺寸一般填料尺寸越小，传值效率越高，但压力降越大，为防止液体向壁流的倾向，填料尺寸d与塔径D的比应小于一
12、定值，一般取填料尺寸对塔径的推荐值塔径/M填料尺寸/M12525505080填料类型采用乱堆型。一般可取的乱堆类填料有拉西环、鲍尔环、阶梯环、矩鞍形填料。本次采用环矩鞍填料中的金属半环填料塔对烷类（80%甲烷、10%乙烷、10%丙烷）的吸收取金属半环外径 d=50mm比表面 =118 空隙率 =0.97堆积个数 11500/湿填料因子 =59 分段高度 =3.2m2.2 塔的内件选型及设计2.2.1 填料支承板填料支承板的作用是支承填料床层。填料支承板一方面应具有足够的强度和刚性，能承受住填料层、持液量以及操作中附加的作用力；另一方面应具有大于填料层孔隙率的开孔率，以防止在此首先发生液泛。为此
13、，在结构上应利于汽液两相流体的均布，阻力宜小，易拆装。因此设计合理的支承结构是非常重要的。常用的结构多为栅板式和梁式两大类。其中梁型支承板是目前性能最优的大塔支承板，使用塔径最大达12。该塔选用梁式元件组合的多梁支撑板，其每条支撑梁的宽度为290，高为300；各梁底面间用定距凸台保持10的间隙向下排液体。梁上所开供气体喷出的条孔尺寸以不应使20mm填料下漏为宜。根据【11】表5-50支承板结构尺寸，可知塔径为1500，支承板外径1460，支承板分块数为5，支承圈宽度为50，支承圈厚度为10；表5-51支承板的特性，可知塔径为1500,材质为碳钢的支承板的允许载荷为92765。2.2.2 填料压
14、板填料压板是固定填料层，防止在操作中发生窜动的固定装置，用于螺钉固定在塔壁上。对于金属或塑料填料，因其质量较轻，在流体压力差和冲击作用下，填料层逐渐膨胀升高，以致改变填料层的初始堆积状态。这样，当填料层不均匀膨胀后，流体将主要流经阻力较小的区域，因而沟流现象增加，流体不均匀分布加剧，于是降低了塔的效率。有时，顶层的填料还可能被气流带出塔外。为此对陶瓷填料须安装填料压板；对金属或塑料填料须安装床层限制板。填料压板凭借自身重量，达到限制填料活动的目的，无须固定于塔壁；床层限制版的重量较轻，固定在塔壁上，对填料层起限制作用，安装时位置要准确，在确保限位的情况下，不应对填料层施加过大的附加载荷。该塔为
15、金属半环填料为散装填料，故选用填料压板。2.2.3 液体初始分布器液体初始分布器的均布液体性能直接关系填料塔的分离效率。优良的液体分布器应具备以下条件：（1） 具有与塔填料相匹配的分液点密度，并保证液体分布均匀；（2） 操作弹性大，适应性好；（3） 为气体提供最大的自由截面率、实现气体均布，而且阻力小；（4） 抗污性能好，不易堵塞，不易产生雾沫夹带和发泡；（5） 结构合理，便于安装、调整和维护，尽量紧凑、少占空间，且多功能化。为了使液体初始分布均匀，原则上应增加单位面积上的喷淋点数。根据Norton公司的906型金属制的小流量液体分布器，它提供的分液点密度为86点/m，适于D=1.22.4m的塔，分布无腐蚀性液体介质。当塔径D大约为1500mm时，该塔应设喷淋点数151.9，该塔设152个喷淋点
