【導(dǎo)讀】，塔徑1400mm，塔高，填料塔，填料段：1。塔設(shè)備是生產(chǎn)過(guò)程中一種。重要的單元操作設(shè)備，它廣泛應(yīng)用于化工、煉油、醫(yī)藥、食品及環(huán)境保護(hù)等工業(yè)部門。首先考慮到工藝條件等因素，塔體的材料選用了Q345R。其次對(duì)塔進(jìn)行了強(qiáng)度。和穩(wěn)定性校核，計(jì)算了質(zhì)量載荷，塔的自振周期、地震載荷與地震彎矩、風(fēng)載荷與風(fēng)彎矩。進(jìn)行了圓筒軸向應(yīng)力校核和裙座軸向應(yīng)力校核。最后利用Fluent軟件對(duì)該回流塔進(jìn)行上段液體流動(dòng)分析，檢驗(yàn)回流塔上段。液體流動(dòng)是否滿足均勻分布要求。塔設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)······························&#18

　　

【正文】 塔器最大質(zhì)量 =++0+0++ 銅氨液、再生氣回流塔的設(shè)計(jì) 24 = 塔器最小質(zhì)量 =+ +0+0+ = 塔的自振周期計(jì)算 塔設(shè)備在風(fēng)載荷和地震載荷作用下將產(chǎn)生振動(dòng)，而塔設(shè)備的振動(dòng)問(wèn)題僅限于線性振動(dòng)。 工程中有很多結(jié)構(gòu)和設(shè)備都可以簡(jiǎn)化成單自有度體系，塔體可以看做一端固定，頂部自由的懸臂梁。由于此次設(shè)計(jì)的填料塔為等厚等直徑填料塔，為了在簡(jiǎn)化的同時(shí)又得到比較準(zhǔn)確的結(jié)果，一般將塔沿高度分為 6~8 段，并將其每段質(zhì)量載荷計(jì)算在設(shè)計(jì)中。 本次設(shè)計(jì)將塔設(shè)備分成 3 段，圖為塔的分段圖。 各段重量計(jì)算 = +底板重 = = +出料口接管重 +封頭質(zhì)量 = =7m 筒體質(zhì)量 +氣體分布器質(zhì)量 +1 個(gè)人孔質(zhì)量 +支撐板質(zhì)量 + 填料質(zhì)量 +附件質(zhì)量 +液體再分布器質(zhì)量 +封頭質(zhì)量 +除沫擋板質(zhì)量 +液體分布器質(zhì)量 = 查閱文獻(xiàn)得等直徑等厚塔設(shè)備自振周期 的簡(jiǎn)化計(jì)算公式為 ： （ ） 銅氨液、再生氣回流塔的設(shè)計(jì) 25 地震載荷與地震彎矩計(jì)算 按照 JB/T47102020《鋼制塔式器》標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法和步驟在上章靜載荷的基礎(chǔ)上對(duì)動(dòng)載荷進(jìn)行計(jì)算，參考文獻(xiàn)《過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)》對(duì)塔體進(jìn)行校核分析。 水平地震力 對(duì)于等直徑、等壁厚的塔設(shè)備，可近似看出是質(zhì)量和剛度沿塔體高度均勻分布的彈性連續(xù)體，也可稱為無(wú)限自由度體系，因此任意高度 處的集中質(zhì)量 引起的基本振型水平地震力 按下式計(jì)算，按圖進(jìn)行塔體分段，從下往上依次為 3 段： （ ） 式中 —— 為綜合影響系數(shù)，取 =； —— 為第一振型參與系數(shù)； —— 為距地面 處的集中質(zhì)量； —— 為對(duì)應(yīng)于塔設(shè)備第一振型自振周期的地震影響系數(shù)； G—— 為重力加速度。 的求?。? （ ） 式中 為地震影響系數(shù)的最大值，見(jiàn) 表 銅氨液、再生氣回流塔的設(shè)計(jì) 26 表 的最大值 設(shè)計(jì)烈度 7 8 9 為各類場(chǎng)地土的特征周期，見(jiàn)表 表 場(chǎng)地土 近振 遠(yuǎn)振 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 取設(shè)計(jì)烈度為 8 度，故 =， ?、箢悎?chǎng)土地，近振時(shí)，故 = 所以， （ ） （ ） 的求?。? （ ） 表 塔段號(hào) 1 2 3 各段操作質(zhì)量 ， kg 各點(diǎn)距地面高度 ， mm 900 1700 104 104 105 106 107 109 109 銅氨液、再生氣回流塔的設(shè)計(jì) 27 108 109 1011 1011 1012 1014 1014 A/B 106 由上表得：基本振型參與系數(shù) 所以，任意高度 處的集中質(zhì)量 引起的基本振型水平地震力 如下表所示： 表 水平地震力計(jì)算表 塔段號(hào) 1 2 3 基本振型參與系數(shù) 水平地震力 ， N 垂直地震力 當(dāng)震級(jí)大于八級(jí)時(shí)，還要計(jì)算垂直地震力。 計(jì)算垂直地震力的方法主要有以下三種： 靜力法； 反應(yīng)譜法； 利用水平地震反應(yīng)譜采用等效重力載荷進(jìn)行計(jì)算。方法一的計(jì)算結(jié)果往往失實(shí)，方法二則因?yàn)槟壳皼](méi)有任何規(guī)范推薦可以用于設(shè)計(jì)的垂直地震反應(yīng)譜所以不能使用，所以方法三是目前處理垂直地震載荷最好的辦法。 GB150 所使用的計(jì)算垂直地震力的方法 也是第三種。計(jì)算過(guò)程如下 塔設(shè)備底截面處的垂直地震力 按式計(jì)算： （ ） 式中 —— 垂直地震影響系數(shù)最大值，取 ， 銅氨液、再生氣回流塔的設(shè)計(jì) 28 —— 塔設(shè)備的當(dāng)量質(zhì)量，取 = ， kg 任意質(zhì)量 i 處垂直地震力 ： （ ） 表 為求解處置地震力表 表 塔段號(hào) 1 2 3 垂直地震影響系數(shù) 操作質(zhì)量 ， kg 當(dāng)量質(zhì)量 ， kg = = = 底截面處垂直地震力， N 105 105 107 107 垂直地震力 地震 彎矩 塔設(shè)備任意計(jì)算截面Ⅰ Ⅰ處基本振型地震彎矩 按式計(jì)算： （ ） 式中， h 為計(jì)算截面距地面的高度， mm。 （ 1） 裙座人孔中線截面Ⅰ Ⅰ， h=900mm 銅氨液、再生氣回流塔的設(shè)計(jì) 29 表 Ⅰ Ⅰ截面 地震彎矩計(jì)算表 塔體段號(hào) 1 2 3 0 800 0 104 106 ， 106 （ 2） 裙座與塔體連接處的焊縫截面Ⅱ Ⅱ， h= 表 Ⅱ Ⅱ截面地 震彎矩計(jì)算表 塔體段號(hào) 1 2 3 104 104 106 ， 106 （ 3）底截面 00 的基本振型地震彎矩分別按式（ ）計(jì)算： （ ） 底截面 00， h=0 當(dāng)塔設(shè)備 H/ 5 時(shí)，還須考慮高振型的影響，再進(jìn)行穩(wěn)定和其他驗(yàn) 算時(shí)，也可按式計(jì)算： （ ） 故 銅氨液、再生氣回流塔的設(shè)計(jì) 30 風(fēng)載荷和風(fēng)彎矩計(jì)算 水平風(fēng)力 由于大多數(shù)塔設(shè)備安裝在室外，所以會(huì)受到風(fēng)的影響，即受到風(fēng)載荷的作用。風(fēng)載荷除了使塔體產(chǎn)生應(yīng)力和變形外，還可能使塔體產(chǎn)生順風(fēng)向的振動(dòng)（縱向振動(dòng)）及垂直于風(fēng)向的誘導(dǎo)振動(dòng)（橫向振動(dòng)）。過(guò)大的塔體應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致塔體的強(qiáng)度及穩(wěn)定失效，而太大的塔體繞度則會(huì)造成塔盤(pán)上的流體分布不均，從而使分離效率下降。計(jì)算時(shí)，通常將其 折算成靜載荷，即在靜力的基礎(chǔ)上考慮與動(dòng)力有關(guān)的折算系數(shù)，稱為風(fēng)振系數(shù)。 《過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)》塔設(shè)備中第 i 計(jì)算段所受的水平風(fēng)力由下式計(jì)算： 式中 為塔設(shè)備各計(jì)算段的水平風(fēng)力； —— 空氣動(dòng)力系數(shù)，此次設(shè)計(jì)為圓筒截面所以取 ； —— 為 i 段塔設(shè)備各計(jì)算段的風(fēng)振系數(shù)，當(dāng)塔高≤ 20m時(shí)，取 =； —— 為上海地區(qū)的基本風(fēng)壓， 450N/m2； —— 為 i 段塔設(shè)備的風(fēng)壓高度變化系數(shù)，按表查?。? —— 為 i 段離地高度； —— 塔設(shè)備各計(jì)算段的有效直徑。 由下表選取，由于化工設(shè)備一般設(shè)于郊區(qū)所以按照 B 類地面粗糙度。 表 風(fēng)壓高度變化系數(shù) 距地面高度 地面粗糙度類別 A B C 5 10 15 20 銅氨液、再生氣回流塔的設(shè)計(jì) 31 30 40 50 60 70 80 90 100 注： A 類地面粗糙度指海面、海島、海岸、湖岸及沙漠地區(qū)； B 類指田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵及房屋比較稀疏的中小城鎮(zhèn)和大城市郊區(qū)； C 類指有密集建筑群的大城市市區(qū)。 的計(jì)算： （ ） 式中 為塔設(shè)備各計(jì)算段的外徑； 為籠式扶梯當(dāng)量寬度， 本次設(shè)計(jì)為采用平臺(tái)及扶梯 ， 故 取 =0mm； 為操作平臺(tái)當(dāng)量寬度，取 0mm。 風(fēng)彎矩 塔設(shè)備任意計(jì)算截面Ⅰ Ⅰ處的風(fēng)彎矩 （ ） 塔設(shè)備地截面 00 處的風(fēng)彎矩 表 風(fēng)載荷和風(fēng)彎矩 項(xiàng)目 塔段號(hào) 1 2 3 塔段長(zhǎng)度 （ m） 0~ ~ ~ 基本風(fēng)壓 （ N/m2） 450 （空氣動(dòng)力系數(shù)，對(duì)圓筒形界面取 ） （風(fēng)振系數(shù)，此處按 ?。? （扶梯的附加寬度，取 0mm） 0 （操作平臺(tái)的附加寬度，取 0mm） 0 銅氨液、再生氣回流塔的設(shè)計(jì) 32 （ mm） 1408 107 塔設(shè)備任意計(jì)算截面Ⅰ Ⅰ處的風(fēng)彎矩 Ⅰ Ⅰ截面（離地 900mm 處）風(fēng)彎矩 Ⅱ Ⅱ截面（離地 2020mm 處）風(fēng)彎矩 塔體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性校核 對(duì)塔底危險(xiǎn)截面（Ⅱ Ⅱ）的軸向應(yīng)力計(jì)算： 由內(nèi)壓和外壓引起的軸向應(yīng)力 ： （ ） 銅氨液、再生氣回流塔的設(shè)計(jì) 33 操作或非操作時(shí)重力及垂直地震力引起的軸向應(yīng)力 ： （ ） 其中， 僅在最大彎矩為地震彎矩參與組合時(shí)，計(jì)入此項(xiàng)。 最大彎矩引起的軸向應(yīng)力 ： （ ） 塔底危險(xiǎn)截面（Ⅱ Ⅱ）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)， （ ） 查文獻(xiàn)得 B=90MPa，組合系數(shù) K= 因此塔底Ⅱ Ⅱ截面滿足抗壓強(qiáng)度及軸向穩(wěn)定條件。 塔底Ⅱ Ⅱ截面抗拉強(qiáng)度校核： （ ） 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 ，可以滿足整個(gè)塔體的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性要求。 銅氨液、再生氣回流塔的設(shè)計(jì) 34 裙座強(qiáng)度和穩(wěn)定性校核 裙座底部 00 截面強(qiáng)度校核 （ 1）裙座底部 00 截面的組合應(yīng)力校核 （ ） 其中： 僅在最大彎矩為地震彎矩參與組合時(shí)計(jì)入此項(xiàng)， mm2； —— 裙座圓筒或錐殼的底部截面面積， mm2； （ ） —— 裙座底部?jī)?nèi)直徑， mm； —— 裙座殼有效厚度， mm； —— 裙座圓筒或錐殼底部界面呢系數(shù)， mm3； （ ） B 為系數(shù)根據(jù) GB1502020 來(lái)確定； 由于裙座為圓筒 形，故 （ ） （ ） 所以 xy 銅氨液、再生氣回流塔的設(shè)計(jì) 35 故裙座底截面組合應(yīng)力滿足校核要求。 （ 2）液壓試驗(yàn)時(shí)組合應(yīng)力校核 （ ） （ ） （ ） 所以 xy 故裙座地截面處在液壓試驗(yàn)時(shí)的組合應(yīng)力滿足校核要求 。 裙座檢查孔處 hh 截面強(qiáng)度校核 hh 截面處組合應(yīng)力計(jì)算及校核 a 操作時(shí)組合應(yīng)力（檢查孔） （ ） 式中： —— 僅在最大彎矩為地震彎矩參與組合時(shí)計(jì)入此項(xiàng) （ ） （ ） —— hh 截面處水平方向的最大寬度， mm； —— 檢查孔或較大引出管線引出孔加強(qiáng)管長(zhǎng)度， mm； 銅氨液、再生氣回流塔的設(shè)計(jì) 36 —— hh 截面 處的裙座殼的截面系數(shù)， mm； （ ） （ ） —— hh 截面處裙座殼的內(nèi)直徑， mm； （ ） —— hh 截面處加強(qiáng)管的厚度， mm； （ ） 由于引出管直徑為，故引出孔直徑為 ，且 因此 銅氨液、再生氣回流塔的設(shè)計(jì) 37 所以 xy 故符合要求 B 液壓試驗(yàn)時(shí)（檢查孔） （ ） —— Ⅰ Ⅰ 截面處的風(fēng)彎矩， ； —— Ⅰ Ⅰ 截面以上塔器壓力試驗(yàn)時(shí)的質(zhì)量， kg； 所以 xy 故符合要求 裙座焊縫強(qiáng)度校核 裙座與塔底焊接于封頭間的焊接接頭可分為對(duì)接及塔接。 采用對(duì)接型式接頭時(shí)，裙座筒體外與塔體下封頭外徑相等，焊縫必須采用全熔透的連接續(xù)焊，且與塔釜封頭的外壁圓滑過(guò)渡。搭接型式接頭的受力情況較差，只是因安裝較方便。 本裙座設(shè)計(jì)采用對(duì)接型式。 裙座筒體上端面至塔釜封頭的切線距離 h 銅氨液、再生氣回流塔的設(shè)計(jì) 38 （ ） 式中 ： —— 橢圓封頭的內(nèi)徑， mm； —— 橢圓封頭的厚度， mm； —— 裙座厚度， mm； 故 對(duì)接焊縫 JJ 截面處的拉應(yīng)力按下式計(jì)算 （ ） 式中： —— 對(duì)接焊縫處的垂直地震力， N；僅在最大彎矩為地震彎矩參與組合時(shí)計(jì)入此項(xiàng)； —— 裙座頂截面的內(nèi)直徑， mm； —— 對(duì)接焊縫處的最大彎矩， Nmm； —— JJ 截面以上塔器操作質(zhì)量， kg； —— 裙座殼有效厚度， mm； —— 設(shè)計(jì)溫度下焊接接頭的許用應(yīng)力，取焊縫兩側(cè)母材許用應(yīng)力較小值，MPa。 裙座材料為 Q345R， ，筒體材料為 Q345R， ，故 （ ） 銅氨液、再生氣回流塔的設(shè)計(jì) 39 因此 故焊縫強(qiáng)度滿足校核要求。 本章總結(jié) 在這一章主要做了強(qiáng)度和穩(wěn)定性 計(jì)算。計(jì)算了質(zhì)量載荷：操作質(zhì)量 ，最大質(zhì)量 ，最小質(zhì)量 。塔的自振周期 。還計(jì)算了地震載荷與地震彎矩，風(fēng)載荷與風(fēng)彎矩。圓筒軸向應(yīng)力校核及圓筒穩(wěn)定校核。圓筒應(yīng)力及應(yīng)力校核，裙座軸向應(yīng)力校核。通過(guò)計(jì)算得出強(qiáng)度和穩(wěn)定性都符合要求。 銅氨液、再生氣回流塔的設(shè)計(jì) 40 4 零部件設(shè)計(jì)和選用 地腳螺栓座和地腳螺栓計(jì)算 基礎(chǔ)環(huán)厚度計(jì)算 （ 1）基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)外徑的選取 外徑 = +(160~400)=1400+300=1700mm 內(nèi)徑 = (160~400)=1400300=1100mm （ 2）混凝土強(qiáng)度校核 A 正常操作時(shí) （ ） 式中： 為基礎(chǔ)環(huán)截面系數(shù)， mm3； （ ） 為基礎(chǔ)環(huán)截面積， mm2； （ ） 因此 = 銅氨液、再生氣回流塔的設(shè)計(jì) 41 B 水壓試驗(yàn) 因此 以上應(yīng)力均小于各種標(biāo)號(hào)混凝土的壓應(yīng)力許用值 4MPa，滿足強(qiáng)度要求。 （ 3）基礎(chǔ)環(huán)板厚度計(jì)算 由于塔徑較大，為安全起見(jiàn)，裙座采用加筋板結(jié)構(gòu)，取筋板厚度 24mm，由 32 個(gè)均布地腳螺栓固定。 （ ） 式中： 為計(jì)算力矩，取矩形板 x， y 軸的彎矩 ， 中絕對(duì)值較大者， ， 按JB47102020 中表計(jì)算， ； ； 基礎(chǔ)環(huán)板材料選用 Q345R 鋼， 基礎(chǔ)環(huán)上筋板間距離為 裙座和基礎(chǔ)環(huán)外徑間距離為 兩筋板間基礎(chǔ)環(huán)部分的長(zhǎng)度比 銅氨液、再生氣回流塔的設(shè)計(jì) 42 故 基礎(chǔ)環(huán)板采用 Q345R 鋼，則其厚度在有筋板時(shí)為 取 =2mm，再圓整至鋼板系列尺寸，故取基礎(chǔ)環(huán)厚度 地腳螺栓設(shè)計(jì) （ 1）地腳螺栓承受的最大拉應(yīng)力按下式計(jì)算 （ ） 式中： —— 地腳螺栓承受的最大拉應(yīng)力， MPa； —— 基礎(chǔ)環(huán)面積， mm2； —— 基礎(chǔ)環(huán)的截面系數(shù)， mm3； 取其中較大值 故 由于 ，所以塔器必須設(shè)置地腳螺栓。 （ 2）地腳螺栓的螺紋小徑可按下式計(jì)算 式中： 為地腳螺栓螺紋小徑， mm； 2C 為地腳螺栓腐蝕裕量， mm，根據(jù) JB4710 取 3mm； n 為地腳螺栓個(gè)數(shù)，一般取 4 的倍數(shù)， n=32； 銅氨液、再生氣回流塔的設(shè)計(jì) 43 由于地腳螺栓座選 Q345R 為制造材料，故 （ ） 故 M24 6 的螺栓滿足要求。 選用 M24 6 規(guī)格螺栓 32 個(gè)。 筋板的設(shè)計(jì) （ 1） 筋板的壓應(yīng)力 （ ） 式中： —— 筋板的壓應(yīng)力， MPa； F—— 一個(gè)地腳螺栓承受的最大拉力， N； （ ） —— 對(duì)應(yīng)一個(gè)地腳螺栓的筋板個(gè)數(shù)； —— 筋板寬度， mm； —— 筋板厚度， mm； 故 （ 2） 筋板的許用應(yīng)力 A 為細(xì)長(zhǎng)比，按下式計(jì)算，且不大于 250 （ ） —— 筋板長(zhǎng)度， mm； 銅氨液、再生氣回流塔的設(shè)計(jì) 44 i —— 慣性半徑，對(duì)長(zhǎng)方形截面的筋板取 ， mm； B 為臨界細(xì)長(zhǎng)比，按下式計(jì)算 （ ） 式中： E—— 筋板材料的彈性模量， MPa，由于筋板材料選用 Q345，在 20℃常溫下E= 105； —— 筋板的許用應(yīng)力， MPa，取 故 筋板的許用應(yīng)力公式為 （ ） 式中： —— 系數(shù)， 故 = 因此 故筋板符合校核要求。 蓋板的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用環(huán)形蓋板且有墊板 故環(huán)形蓋板的最大應(yīng)力按下式計(jì)算 銅氨液、再生氣回流塔的設(shè)計(jì) 45 （ ） 式中： —— 蓋板的最大應(yīng)力， MPa； —— 墊板上的地腳螺栓孔直徑， mm，取 —— 蓋板上地腳螺栓孔直徑， mm，取 —— 筋板寬度， mm，取 —— 筋板內(nèi)側(cè)間距， mm，取 —— 墊板寬度， mm，取 —— 蓋板厚度， mm，取 —— 墊板厚度， mm，取 故 因此蓋板滿足設(shè)計(jì)要求。 填料塔內(nèi)件設(shè)計(jì) 總體結(jié)構(gòu) 填料塔主要有塔體、液體分布器、液體再分布器、填料、氣體分布器、裙座、除沫器、接管、人孔和手孔、吊耳和吊柱及其他附件組成。此章主要選取和塔體設(shè)計(jì)無(wú)關(guān)的一系列內(nèi)件。 銅氨液、再生氣回流塔的設(shè)計(jì) 46 液體分布器 液體分布器選用蓮蓬頭式噴灑器，噴頭直徑 ，噴灑角≤ 80176。，噴灑外圈距塔壁 x=70~100mm，噴頭高度 ，小孔直徑 =3~10mm。 液體再分布器 液體再分布器選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牢固可靠、便于安裝、能承受住氣、液流體的沖擊的集液再分配錐。 綜上所述，此次設(shè)計(jì)采用截錐式液體再分布器， ， ，且此次設(shè)計(jì)中填料未分段，故截錐式液體再分布器如圖所示。 填料支撐板 填料支撐板選用柵板結(jié)構(gòu)。 除沫器 除沫器參照 HGT21586 選用抽屜式絲網(wǎng)除沫器， ， H=100mm，H1=160mm，分塊數(shù) N=2。 設(shè)備接管 排液管 排液管一般設(shè)置在底部封頭處，通過(guò)裙座上的通道管引導(dǎo)裙座外部。 進(jìn)氣管 進(jìn)氣管的裝配位置由工藝條件確定。但應(yīng)設(shè)置在最高液面之上，避免液體淹沒(méi)氣體通道。本次設(shè)計(jì)選用雙列葉片式氣體分布器作為氣體分布器。 （ a） （ b） 銅氨液、再生氣回流塔的設(shè)計(jì) 47 （ c） （ d） 圖 常用進(jìn)氣 管結(jié)構(gòu) 人孔 人孔是安裝或檢修人員進(jìn)出塔器的唯一通道。人孔的設(shè)置應(yīng)便于人員出入填料層。人孔的選擇應(yīng)考慮設(shè)計(jì)壓力，試驗(yàn)條件，設(shè)計(jì)溫度，物料特性及安裝環(huán)境等因素。人孔法蘭的密封面形式及墊片用材料，一般與塔的接