分离气碱洗塔设计

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3.0 范春蓉 2024-09-25 10 4 1.33MB 45 页 120积分

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分离气碱洗塔设计第1页

0 绪论 ………………………………………………………………………………… 1

0.1 概述 ……………………………………………………………………………… 1

0.2 课题介绍 ………………………………………………………………………… 2

0.3 设计背景 ………………………………………………………………………… 2

0.4 设计要求和条件 ………………………………………………………………… 3

0.4.1 塔设备设计要求………………………………………………………………… 3

0.4.2 塔设备设计内容及条件………………………………………………………… 3

0.5 有限元和 ANSYS 介绍 …………………………………………………………… 4

0.5.1 有限单元法的基本概念及主要内容…………………………………………… 4

0.5.2 软件介绍………………………………………………………………………… 5

0.6 本课题的主要内容 ……………………………………………………………… 5

1 材料选择和结构设计 ………………………………………………………………… 6

1.1 内压圆筒设计与计算 ………………………………………………………… 6

1.1.1 圆筒的设计与计算 …………………………………………………………… 6

1.1.2 锥壳的设计与计算 …………………………………………………………… 7

1.2 封头的设计计算 ……………………………………………………………… 8

1.3 裙座与焊接连接设计 ………………………………………………………… 8

1.3.1 裙座结构设计 ………………………………………………………………… 8

1.3.2 焊接连接设计 ………………………………………………………………… 9

1.4 开孔和开孔补强 ………………………………………………………………… 9

1.5 结构设计小结 …………………………………………………………………… 17

2 强度和稳定性计算 …………………………………………………………………… 18

2.1 考核缺陷对压力容器安全性的影响 ………………………………………… 18

2.2 质量载荷计算 …………………………………………………………………… 18

2.3 塔的自振周期计算 ……………………………………………………………… 19

2.4 载荷和地震弯矩的计算 ………………………………………………………… 22

2.5 风弯矩形计算 …………………………………………………………………… 24

2.6 塔壳强度和稳定验算 …………………………………………………………… 25

2.7 塔器立置液压试验的应力校核 ………………………………………………… 26

2.8 裙座稳定计算 …………………………………………………………………… 27

2.9 裙座与连接焊缝验算 …………………………………………………………… 29

2.10 稳定性计算小结 ……………………………………………………………… 30

3 零部件设计和选用 …………………………………………………………………… 31

分离气碱洗塔设计第2页

3.1 地脚螺栓和地脚螺栓座计算 …………………………………………………… 31

3.1.1 基础环厚度计算 ……………………………………………………………… 31

3.1.2 地脚螺栓计算 ………………………………………………………………… 31

3.1.3 底座与筋板设计 ……………………………………………………………… 32

3.1.4 静电接地板设计 ……………………………………………………………… 32

3.2 塔顶吊柱的选择与设计 ………………………………………………………… 32

3.3 吊耳的选择与设计 ……………………………………………………………… 33

3.4 填料及内件设计 ………………………………………………………………… 34

3.4.1 填料设计 ……………………………………………………………………… 34

3.5 液体分布器的设计 …………………………………………………………… 35

3.6 除沫器设计 ……………………………………………………………………… 35

3.7 法兰连接设计 …………………………………………………………………… 36

3.8 零部件设计小结 ………………………………………………………………… 36

4 有限元分析 …………………………………………………………………………… 37

4.1 建模及计算极限应力和极限位移 ……………………………………………… 37

4.2 计算结果处理 …………………………………………………………………… 42

4.3 有限元分析小结 ………………………………………………………………… 43

5 论文小结 ………………………………………………………………………………

致谢 …………………………………………………………………………………………

参考文献 ……………………………………………………………………………………

摘要

这次进行的毕业设计的课题是“分离气碱洗塔的设计”。塔设备是化工及石油化工

生产中最重要的单元设备之一。塔设备是通过其内部的机构使气（汽）液两相或液液之

间充分接触，进行质量传递和热量传递。通过塔设备完成的单元操作有精馏、吸收、解吸、

萃取和洗涤。分离气碱洗塔属于异构化装置中的一部分，分离气碱洗塔主要作用是通过

碱洗除去 HCl，属于拉西环（拉西环是高度与外径相等的圆柱体，可由陶瓷、金属、塑

料等制成，多采用乱堆填料）填料塔，它的介质为氢气和烃，主要参数如下：

设计温度（摄氏度） 120

设计压力（兆帕） 1.18

分离气碱洗塔设计第3页

关键词：碱洗塔，填料塔，拉西环

0 绪论

0.1 概述

在化工、炼油、医药、食品及环境保护等工业部门，塔设备（如图 0.1）是一种重要

的单元操作设备。它的应用面广、量大。塔设备的作用是实现气（汽）-液相或液液相之

间的充分接触，从而达到相互间进行传质和传热的过程。塔设备广泛用于蒸馏、吸收、介

质（气提）、萃取、气体的洗涤、增湿及冷却等操作单元中，它的操作性能的好坏，对整

个装置的生产，产品质量、产量、成本以及环境保护、“三废”处理等都有较大的影响。

随着石油、化工的迅速发展，塔设备的合理造型及设计将受到越来越多的关注。

图0.1 中国石化的填料塔

Fig. 0.1 A Packing Tower in SINOPEC

分离气碱洗塔设计第4页

0.2 课题介绍

这次进行的毕业设计的课题是“分离气碱洗塔的设计”。塔设备是化工及石油化工

生产中最重要的单元设备之一。塔设备是通过其内部的机构使气（汽）液两相或液液之

间充分接触，进行质量传递和热量传递。通过塔设备完成的单元操作有精馏、吸收、解吸、

萃取和洗涤。分离气碱洗塔属于异构化装置中的一部分，分离气碱洗塔主要作用是通过

碱洗除去 HCl，属于拉西环（拉西环是高度与外径相等的圆柱体，可由陶瓷、金属、塑

料等制成，多采用乱堆填料,如图 0.2）填料塔，它的介质为氢气和烃，主要参数如下：

设计温度（摄氏度） 120

设计压力（兆帕） 1.18

图0.2 金属拉西环

Fig. 0.2 Metal Raschig Ring

填料塔的机构主要分两部分：塔体和内件。

塔体主要是由塔的支撑、塔壳体及附件组成，塔设备最主要的支撑形式是裙座式支

撑。

内件主要包括：填料、填料支撑件（支撑板、支撑栅等）、填料层压环、填料层限位

器、液体（气体）分布器、液体再分布器、破旋涡器等。

0.3 设计背景

本次设计的分离气碱洗塔是异构化装置的一个组成设备。这个异构化装置主要是以

吸附分离装置贫含对二甲苯的提余液为原料，在临氢条件下用催化剂将原料转化为 C8

芳烃的催化异构过程。

本装置设计能力为年产混合 C8芳烃90.45 万吨，反应器设计处理能力为 114529t/h

或92.36 万t/a，原料来源为每年 40 万吨重整油和 6万吨裂解加氢汽油。设计运转负荷范

围为55～105%。

本装置的催化剂主要是采用美国 UOP 公司提供的I-5 催化剂，该催化剂具有酸性

和金属双重功能，其酸性功能靠运转过程中不断注氯（二氧化氯）来维持。因此反应尾

气和脱庚烷塔塔顶气中含有50～100mol ppm 以上的HCl，需要经过碱洗处理，才能成

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为燃料气使用。而且 HCl 对装置有极大的腐蚀作用，因此，本次设计的分离气碱洗塔是

本装置中相当重要的环节。

本装置主要有各类动、静设备共计97 台：其中反应器 1台、塔 5台、加热炉2台、换

热器 18 台、空冷器4台、压缩机2台、泵36 台、喷射器6台、容器 23 台。

装置的特点有：

1）采用立式径向固定床反应器，阻力压降小。

2）空速高、处理量大、特别是使用 SKI-400 催化剂后，具有更高的空速。

3）使用 SKI-400 催化剂之后，反应的 C8芳烃的收率高于其他类型的催化剂。

4）在反应器加热炉对流段设置了废热锅炉，且与歧化装置共用一个汽包，提

高了加热炉的热效率，节省了投资的费用。

0.4 设计要求和条件

0.4.1 塔设备设计要求

为了使塔设备能更加有效、更加经济地运行，除了要满足工艺条件外，还应该满足

以下基本要求：

1）气液两相充分接触，相际间传热面积大；

2）生产能力大；

3）操作稳定，操作弹性大；

4）阻力小；

5）结构简单，制造、安装、维修方便，设备的投资及操作费用低；

6）耐腐蚀，不易堵塞。

0.4.2 塔设备的设计内容及条件

塔设备的设计包括塔的工艺设计和塔的机械设计两部分。

在整个分离气碱洗塔的设计中，整个设计步骤及所遇到的问题如下：

1）机械设计所需的设计条件

a．塔体

1 在设计压力下筒体和封头的厚度计算

2 在风载荷、地震载荷及其他载荷作用下的强度和稳定性计算

3 地脚螺栓、基础板、地脚螺栓座的筋板和盖板计算

4各接管开孔强度补强计算

5 塔的吊耳计算

6 塔的吊装计算

7特殊零件计算

8 塔设备的振动计算与防振

b.塔设备的结构设计包括塔体及附件的结构设计和塔内件结构设计。

物料在填料塔中的传质、分离主要是分散在填料表面进行。高性能

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分离气碱洗塔设计第1页目录0绪论…………………………………………………………………………………10.1概述………………………………………………………………………………10.2课题介绍…………………………………………………………………………20.3设计背景…………………………………………………………………………20.4设计要求和条件…………………………………………………………………30.4.1塔设备设计要求…………………………………………………………………30.4.2塔设备设计内容及条件…………………………………………………………30.5有限元和ANSYS介绍………………………………………………...

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