上海应用技术学院

机械工程学院

毕业设计（论文）

题目      铜氨液、再生气回流塔的设计               

学生姓名           徐骏

专    业­­      过程装备与控制工程­­­­­­­           

学    号         0910221130                   

班    级          09102211­­­­­­­                     

指导教师           朱柳娟                           

职    称          讲师            

2013 年 6 月

铜氨液、再生气回流塔的设计

摘要：此次设计回流塔的介质为铜氨液、再生气，塔的设计温度为100℃，设计压力为0.18MPa，塔径1400mm，塔高11.25m，填料塔，填料段：1。塔设备是生产过程中一种重要的单元操作设备，它广泛应用于化工、炼油、医药、食品及环境保护等工业部门。本铜氨液、再生气回流塔的作用是利用铜氨液对再生气中所含的少量一氧化碳和二氧化碳进行脱洗。首先考虑到工艺条件等因素，塔体的材料选用了Q345R。其次对塔进行了强度和稳定性校核，计算了质量载荷，塔的自振周期、地震载荷与地震弯矩、风载荷与风弯矩。进行了圆筒轴向应力校核和裙座轴向应力校核。通过计算得出强度和稳定性都符合要求。然后通过比较不同的元件，分别对吊柱、吊耳、填料、设备接管、法兰、平台及扶梯进行了设计选择。最后利用Fluent软件对该回流塔进行上段液体流动分析，检验回流塔上段液体流动是否满足均匀分布要求。

关键词：填料塔；铜氨液；再生气；压力容器；Fluent

Design of Cuprammonia and Resurgent gases Reflux Column

Abstract：The media of this design of cuprammonia and resurgent gases column is cuprammonia and resurgent gases, and it’s design temperature is 100℃, design pressure is 0.18MPa.The diameter of column is 1400mm,and height is 11.75m,which is packing layer and has 1 trays. Column is an important process equipment, which is widely used in petrochemical, pharmacy, food, environment protection and so on. The cuprammonia and resurgent gases column is to use cuprammonia wash off a small amount of carbon monoxide and carbon dioxide contained in the regeneration gas. Based on process conditions,Q345R was chosen as column material. Stiffening was made at open pore region and stiffening rings was chosen. The strength and the stability of the column were checked including calculating mass loads, self-vibrations cycles, earthquake loads, earthquake moments, wind loads, wind moments. The axial stresses in cylindrical shell and skirt support were checked. The strength and the stability of the column were eligible. And by comparing different components, davits, sag, trays, tubes, flanges, flats and ladders were designed and chosen. Finally,Fluent6.3.26 which is used to analysis has been used for check the liquid.

KeyWords：Packed tower; Cuprammonia; Resurgent gass; Prseesur; fluent

目录

1 绪论

填料塔主要由塔体、填料、塔体支座、除沫器、接管、人孔和手孔、吊耳和吊柱以及其他附件组成。

塔体是塔设备的外壳，是由三段等直径、等壁厚的圆筒和作为头盖和底盖的椭圆形封头及连接三段筒体的法兰组成；填料是进行传质的主要部件；塔体支座是塔体安放到基础上的连接部分，他必须保证塔体坐落在确定的位置上进行正常的工作；除沫器用于捕集夹带在气流中的液滴；塔设备中的接管是用以连接工艺管路，把塔设备与相关设备连成系统；人孔和手孔一般都是为了安装检修和检查的需要而设置的；吊耳和吊柱分别是为了运输安装，及塔内件的运送。

再生气从塔下部适当位置进塔，铜氨液从塔上部适当位置进塔，气、液在中段填料层进行气液传质，反应后的气体从塔顶封头流出，反应后的铜液从塔底封头流出进入回流系统。

1.1 概述

塔设备的设计包括塔的工艺设计和塔的机械设计两部分。塔的工艺设计一般有化工工艺工程师进行，塔的机械设计由设备工程师进行。设备工程师是在工艺工程师的工艺设计基础上进行塔的机械设计。其中塔的机械设计是本课题的主要方向。塔设备的机械设计包括塔的结构设计和塔的强度及稳定性计算。

根据塔器设计的原理和方法，结合课题所给予的设计条件和实际情况，依据《GB150-2010 钢制压力容器》与《JT4710-2005 钢制塔式容器》等标准，确定铜氨液、再生气回流塔设计的机械设计，将主要从两个方面进行。

1.2 塔设备的结构设计

塔设备的结构设计包括塔体及附件的结构设计和塔内件的结构设计。

（1）    塔设备的主要结构尺寸的确定

由于填料塔比板式塔压降小、真空度高，所以本设计采用填料塔作为回流塔的结构。填料层的压降既与气流流动状况有关，又与填料特性有关，情况比较复杂，有关手册载有各种尺寸填料实测的压力降曲线，可供计算时应用。

（2）    附属结构及设备

①填料支撑结构：

填料支撑结构应满足三个基本条件：

Ⅰ使气液能顺利通过。Ⅱ要有足够的强度承受填料重量，并考虑填料孔隙中的持液重量，以及可能加于系统的压力波动、机械波动、温度波动等因素。Ⅲ要有一定耐腐蚀性能。

② 裙座：裙座的选材应考虑到载荷、塔的操作条件，以及塔釜封头的材料等因素，对于在室外操作的塔，还得考虑环境温度。裙座一般选用圆筒形。细高塔形的应选用圆锥形裙座，同时考虑塔体与裙座的焊接形式。

③ 液体再分配装置

液体沿填料层下流时，往往有逐渐靠塔壁方向集中的趋势。使总的传质效率大为降低。因此每隔一定距离必须设置液体再分配装置，以克服此现象。

④除沫器：除沫器的作用是减少液体的夹带损失，确保气体的纯度，保证后续设备的正常操作。除沫器的常用形式有：丝网除沫器，拆流板式除沫器以及旋流板除沫器。形式的选用一般是根据所分离液滴的直径、要求的捕沫效率及给定的压力降来确定。

综述，塔器根据工作压力、工作温度以及介质特性，选择塔器主体、封头等的材料，材料选择力求经济合理又能满足性能要求。而后再进行初始的结构设计。具体内容包括塔器的主体结构的形式确定，封头的类型，塔体外部人孔手孔等的开孔情况，包括开孔大小、数目、位置等，外部吊装装置的选择以及具体工艺接管的安排等。

1.3 塔设备的强度和稳定性设计

塔设备除必须按规范进行强度和稳定性计算外，还应根据具体情况进行一些在特殊工况下的强度计算，如局部应力计算等，以及一些有强度要求的零部件的计算。塔的强度计算一般应有下列内容：

① 在设计压力下的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的计算；

④ 各接管开孔补强计算；

⑤ 塔的吊耳计算；

⑥ 塔的吊装计算；

⑦ 局部应力计算；

⑧ 特殊零件计算；

⑨ 塔设备的振动计算与防震；

将根据铜氨液、再生气回流塔设计的具体设计条件和结构，确定实际需要计算的内容。

2 材料选择和结构设计

2.1筒体、封头、裙座材料的确定

已知塔径1400mm；工作压力：0.1kg/cm2；工作温度：℃；介质：铜液量：m3/h；再生气量：mm3/h。设置于上海地区，基本风压为550N/m2。

介质特性、操作特性、材料焊接性能知满足要求的材料有Q245R、Q345R、Q370R等，结合容器的制造工艺以及经济上的合理性，考虑到介质铜氨液为轻微腐蚀溶液，故筒体、封头、裙座均采用Q345R。

2.2 塔全高的确定

1、塔顶空间高度应该有足够的高度以使气流携带的液滴能够从气相中分离出来，减少塔顶出口气体中液体的夹带，这段高度一般取1.2~1.5m，在这里h1取1.5m。

2、填料选取金属矩鞍环，矩鞍环填料的尺寸与塔径之比，由塔径1400，得d<93.3mm，查表12-3-19，选取公称直径为50mm的金属矩鞍环。填料层较高时，应在塔内分几段设置，每段填料的高度与塔径之间的关系，对于中小型塔而言，为5~8米；对于大直径塔，不宜超过6米，故取填料高度为3.5米。

3、塔底空间高度应该留有空间以满足安装进气管的要求，进气管的位置应该在填料层以下约一个塔径的距离，且高于塔底液面300mm以上，由于此次设计的填料塔气体流量较小，故忽略液封高度，则塔底空间高度可取。

综上所述，故塔全高为H塔=1.5m+3.5m+2m=7m。

2.3 内压圆筒设计与计算

圆筒形压力容器结构形式，具有结构简单、易于制造、便于在塔体内部装设附件等优点。主要分为单层式和组合式，组合式又可分为多层包扎式、热套式、绕板式等。目前，多层包扎式圆筒是世界上应用最广泛、制造和使用经验最为丰富的组合式圆筒结构。在设计时为了避免裂纹沿厚度方向扩展，各层板间的纵向焊缝应相互错开75°角。多层包扎式圆筒制造工艺相对简单，不需要大型复杂的加工设备；与单层式圆筒相比安全可靠性高，层板间隙具有阻止缺陷和裂纹向厚度方向扩展的能力，减少了脆性破坏的可能，且包扎预应力可有效改善圆筒的应力分布；对介质的适应性强，可依据介质的特性选择合适的材料。但多层包扎式圆筒制造工序多、周期长、效率低、钢板材料利用率低，尤其是筒节间对接的环焊缝对容器的制造质量和安全有显著影响。根据工艺要求和考虑经济性因素，本次的铜氨液、再生气回流塔的圆筒形式采用单层式。

已知塔径1400mm；工作压力：0.1kg/cm2；工作温度：℃；介质：铜液量：m3/h；再生气量：mm3/h。选定设计温度：100℃。进行计算：

1、计算工作压力：

取

2、确定筒体壁厚：

假设厚度为3~16mm，Q345R在100℃时的许用应力，焊接接头形式采用双面全焊透，局部无损检测，因此Ø=0.85。

对于低合金钢制容器，不小于3mm，由于钢材的厚度负偏差不大于0.25mm，且不超过名义厚度的6%，故取=0mm

设计厚度3+1=4mm

名义厚度，圆整至国家标准钢板厚度，故取

计算得在设计温度下，圆筒的计算应力

满足，合格。

2.4 封头的设计与计算

       2.4.1 封头类型的比较

压力容器封头种类有凸形封头（半球形封头、椭圆形封头、蝶形封头、球冠形封头）、锥壳、平盖及紧缩口等。

半球形封头：在均匀受内压作用下、薄壁球形容器的薄膜应力为相同直径圆筒的一半、但其深度大直径小时整体冲压困难、常用在高压容器上。

椭圆形封头：由半个椭圆面和短圆筒组成，椭球部分经线曲率变化平滑连续、应力分布均匀、且封头深度较半球形封头小得多、易于冲压成型、在中低压容器中应用广泛。

碟形封头：由带折边的球面封头、过渡环壳、短圆筒三部分组成；封头深度较小、成型方便、但存在较大边缘弯曲应力、曲面不连续。

锥壳：结构上不连续、应力分布不均匀、常用于中低压容器。

平盖：结构简单、制造容易、封头厚度大、材料耗费多、多用于直径小高压容器。

2.4.2 封头类型的确定

由于设计压力为0.18MPa，属低压容器，设计温度为100℃，故在满足工艺条件前提下，比较封头的制造难以程度、消耗材料情况、工艺上的合理性确定上下均采用标准椭圆形封头。

2.4.3 封头参数确定

由JB/T4746-2002可知椭圆形封头各参数值为：公称直径：1400mm；曲面高度350mm；直边高度：25mm。

2.4.4 封头厚度计算

对受内压封头的强度计算，由于封头和圆筒相连接，所以不仅需要考虑封头的薄膜应力，还需要考虑与圆筒连接处的不连续应力。

根据工艺要求，选择标准椭圆形封头，其优点是应力分布均匀，易于冲压形成。选择材料为与筒体相同的Q345R，则，选双面焊接对接接头，局部无损检测时取Ø=0.85。

1、确定应力增强系数K：

K为标准椭圆形封头的应力增强系数，取K=1.07。

2、计算封头厚度：

低合金钢，故取3mm，由于钢材的厚度负偏差不大于0.25mm，且不超过名义厚度的6%，故取=0mm，。圆整得。

2.4 裙座的结构与焊接设计

2.4.1 裙座的结构设计

为了制作方便，裙座一般选用圆筒形。对直径小又细高的塔（即DN≤1m，且H/DN＞25或DN＞1m，且H/DN＞30），为了提高设备的稳定性及降低地脚螺栓与基础环支承面上的应力，可采用圆锥形裙座。设计圆锥形裙座时，考虑到按稳定计算的锥体厚度是与cos2成反比（即锥体的半锥顶角增大，厚度也将增加），且锥体与塔体的焊缝在弯曲与剪切作用下引起的应力突变，也将随的增大而增加，所以一般不大于10°。

（1）    类型DN>1m，H/DN=7750/1400=5.54<30，因此选用圆筒形裙座。由于裙座高度一般取为3～6m，本次所设计的塔高为7.75m，所以在这里取裙座高度取为3.5m。

（2）    选择裙座材料为Q345R，裙座不能与塔内介质接触，也不承受塔内介质的压力，因此不受压力容器用材的限制。但由于裙座对整个塔器而言是个至关重要的元件，支撑整个塔器，如它破坏将直接影响塔器的正常使用。并且裙座所耗费材料对整个塔而言不多，提高它的用材要求，在经济上不会造成太多的费用。常用的裙座材料为Q235-B和Q345R。Q235因为耐用性和适用场合等多种因素已经不太使用。所以选用Q345R较合适。

（3）    焊接接头可以分为对接或塔接型式。而其中塔接型式的受力情况较差，只是因为安装较方便，在一些小塔或焊接接头受力较小的情况下采用，因此我采用对接焊接。对接焊接接头裙座壳体外径与封头外径相等，两者的连接焊缝必须采用全焊透连续焊。

2.4.2 焊接形式设计

裙座与塔体的连接采用焊接。焊接接头可采用对接形式或搭接形式。

采用对接形式时，一般裙座筒体外径与填料塔封头的外径相等，裙座筒体与填料塔封头的连接焊缝应采用全焊透的连续焊，且与填料塔封头的外壁圆滑过渡。

图2.1裙座与塔体对接

椭圆封头壁厚为4mm，塔的公称直径为1400mm，直边高度h为25mm。

2.5开孔和开孔补强

由于工艺与结构要求，需对容器上开孔并安置接管。开孔后，除了削弱了器壁的强度外，在壳体和接管的连接处，因结构的连续性被破坏，会产生很高的局部应力，给容器的安全造成隐患，故需对开孔进行结构补强。目前常用的压力容器接管局部补强结构分为三种形式：补强圈补强、厚壁接管补强和整锻件补强。

而本次设计的筒体属于低压容器，所以选择结构简单，制造方便，使用经验丰富的补强圈补强作为补强形式。

2.5.1 开孔最大直径要求

根据GB150-2010规定，圆筒上开孔的限制：

当圆筒内径≤1500mm时，开孔最大直径≤/2，且dop≤520mm；当圆筒内径>1500mm时，开孔最大直径≤/3，且≤1000Mm；

椭圆形封头、凸形封头或球壳上开孔最大直径，其孔的中心线宜垂直于封头表面。

2.5.2 允许不另行补强的最大开孔直径

根据GB150-2010规定，对于不另行补强的最大开孔直径要求如下：

设计压力小于或等于2.5MPa；

两相邻开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）应不小于两孔直径之和；对于3个或以上相邻开孔，任意两孔中心的间距（对曲面间距弧长计算）应不小于该两孔直径之和的2.5倍；

接管外径小于或等于89mm；

接管壁厚满足表6-1要求，表中接管壁厚的腐蚀裕量为1mm，需要加大腐蚀裕量时，应相应增加壁厚；

开孔不得位于A、B类焊接街头上；

钢材的标准抗拉强度下限值≥540MPa时，接管与壳体的连接宜采用全焊透的结构型式。

查GB150-2010表4-3得，Q345R钢管在设计温度100℃下的许用应力为。

所以，……都满足不另行补强要求，所以不进行补强计算。

2.5.3 液体进口补强

A开孔位于筒体上部，筒体的计算厚度

B开孔补强面积A

计算强度消弱系数：

接管有效厚度：

开孔直径：

开孔补强面积A：

C有效补强范围

有效补强宽度：

取其中较大值，故B=442mm

有效高度：

取其中较小值，故

取其中较小值，故

有效补强面积

封头有效厚度

封头多余金属面积A1：

接管多余金属面积

接管计算厚度

焊缝金属截面积(焊脚取6.0mm)

有效补强面积

所需另行补强面积

故无需补强

同理可证，接管法兰与铜液出口也无需补强。

2.5.4 再生气进口补强

A开孔位于筒体下部，筒体的计算厚度

B开孔补强面积A

计算强度消弱系数：

接管有效厚度：

开孔直径：

开孔补强面积A：

C有效补强范围

有效补强宽度：

取其中较大值，故B=604mm

有效高度：

取其中较小值，故

取其中较小值，故

有效补强面积

封头有效厚度

封头多余金属面积A1：

接管多余金属面积

接管计算厚度

焊缝金属截面积(焊脚取6.0mm)

有效补强面积

所需另行补强面积

故无需补强。

2.5.5 气体出口补强

A开孔位于下封头顶端，筒体的计算厚度

B开孔补强面积A

计算强度消弱系数：

接管有效厚度：

开孔直径：

开孔补强面积A：

C有效补强范围

有效补强宽度：

取其中较大值，故B=504mm

有效高度：

取其中较小值，故

取其中较小值，故

有效补强面积

封头有效厚度

封头多余金属面积A1：

接管多余金属面积

接管计算厚度

焊缝金属截面积(焊脚取6.0mm)

有效补强面积

所需另行补强面积

故无需补强。

2.5.6 人孔1补强

A开孔位于筒体下段，筒体的计算厚度

B开孔补强面积A

计算强度消弱系数：

接管有效厚度：

开孔直径：

开孔补强面积A：

C有效补强范围

有效补强宽度：

取其中较大值，故B=964mm

有效高度：

取其中较小值，故

取其中较小值，故

有效补强面积

封头有效厚度

封头多余金属面积A1：

接管多余金属面积

接管计算厚度

焊缝金属截面积(焊脚取6.0mm)

有效补强面积

所需另行补强面积

故无需补强。

2.5.7 人孔2补强

A开孔位于裙座，裙座的计算厚度

B开孔补强面积A

计算强度消弱系数：

接管有效厚度：

开孔直径：

开孔补强面积A：

C有效补强范围

有效补强宽度：

取其中较大值，故B=964mm

有效高度：

取其中较小值，故

取其中较小值，故

D有效补强面积

封头有效厚度

封头多余金属面积A1：

接管多余金属面积

接管计算厚度

焊缝金属截面积(焊脚取6.0mm)

有效补强面积

所需另行补强面积

拟采用补强圈进行补强。

E补强圈设计

工程直径DN450选择补强圈，参照文献补强圈标准JB/T4736-2002选择外径，内径，补强圈厚度

所以选用，坡口型式为A型的补强圈。

2.6 本章总结

本章我主要做了材料的选择和结构设计。材料的选择方面，对筒体、封头和裙座的材料都选了Q345R。筒体计算厚度为0.78mm，封头计算厚度为0.84mm，名义厚度4mm。在结构设计方面，主要对封头的结构设计，封头选择标准椭圆封头。裙座与筒体的连接采用焊接，且焊接形式为对接形式。还计算了接管直径，开孔及开孔补强。

3 强度和稳定性计算

3.1 考核缺陷对压力容器安全性的影响

压力试验目的是在超压力的情况下，考核缺陷是否会发生快速扩展，造成破坏或开裂而造成泄漏，检验密封结构的密封性能。

水压试验：

本次设计的筒体为内压容器，按下列公式计算：

在常温20℃时，Q345R在耐压温度下的许用应力

所以，

试验压力下圆筒的应力：

应满足下列条件：

所以，筒体厚度满足水压试验的强度要求。

3.2 塔器质量计算

塔设备的操作质量

塔设备的最大质量

塔设备的最小质量

其中：为圆筒和裙座质量；为内件质量；为保温材料质量；为平台和扶梯；为操作时塔内物料质量；为人孔、接管、法兰等附件质量；为偏心质量；为液压试验时，塔设备内充液质量。

3.2.1 圆筒和裙座质量

筒体质量：筒体高度H=7000mm。Q345R的材料密度为，所以

裙座质量：裙座高度取3.5m。材料Q345R密度为，采用对接接头

故

封头质量：查JB4746-2002表B.2 EHA椭圆形封头质量得m封=102.9kg，上下共两个

所以

3.2.2 内件质量

填料层总重

陶瓷矩鞍环的堆积密度：单位体积填料的质量。

式中：为填料的空隙率，m3/m3

为填料的密度

=除沫装置+液体分布器+液体再分布器+填料总重+填料支撑板+气体分布器1104.59kg

3.2.3 保温层质量

保温材料：无

所以

=0kg

3.2.4平台和梯子质量

扶梯质量

根据JB4710-2005附录D得知笼式扶梯单位质量为40kg/m。

故梯子的质量为40×6.325=253kg。

平台质量

钢制平台单位质量为200kg/m2，裙座处人孔由于距离地面高度较低，无需设置平台，故此次设计一处0.9米的半圆形平台。

故

=253+652.57=905.57kg

3.2.5 操作状态下塔内物料质量

操作时填料塔内最高液位高度为1095mm，填料段上喷洒装置下，液体再分布器存留液为100mm。

填料物料重量

下封头承液体体积

=0.3977m3

筒体承液体体积

故填料塔内物料重量

=1257.43kg

液体再分布器上存留液体重量

液体体积

故=+=1257.43+153.72=1411.15kg

3.2.6 人孔、接管及法兰等附件质量

3.2.7水压试验时质量

液压试验时充水质量：

为筒体高度，m；

为水的密度，1000kg/m3；

为封头的容积，查JB4746-2002《钢质压力容器用封头》附录。得封头=0.3977cm3

3.2.8 塔器操作质量

3.2.9 塔器最大质量

=1903.45+1104.59+0+905.57+11550.23+475.86

=15939.7kg

3.2.10 塔器最小质量

=1903.45+0.2×1104.59+0+905.57+475.86

=3505.80kg

3.3塔的自振周期计算

塔设备在风载荷和地震载荷作用下将产生振动，而塔设备的振动问题仅限于线性振动。

工程中有很多结构和设备都可以简化成单自有度体系，塔体可以看做一端固定，顶部自由的悬臂梁。由于此次设计的填料塔为等厚等直径填料塔，为了在简化的同时又得到比较准确的结果，一般将塔沿高度分为6~8段，并将其每段质量载荷计算在设计中。

本次设计将塔设备分成3段，图为塔的分段图。

各段重量计算

=1.875m裙座质量+1.875m笼式扶梯质量+底板重

=775.81kg

=1.625m裙座质量+出料口接管重+封头质量+1.875m笼式扶梯质量

=644.96kg

=0.05m封头连接质量+7m筒体质量+气体分布器质量+2.575m笼式扶梯质量+1个人孔质量+支撑板质量+3.5m填料质量+1个平台质量+附件质量+液体再分布器质量+封头质量+除沫挡板质量+液体分布器质量+吊柱重+其他附件重

=2939.48kg

查阅文献得等直径等厚塔设备自振周期的简化计算公式为：

3.4 地震载荷与地震弯矩计算

按照JB/T4710-2005《钢制塔式器》标准计算方法和步骤在上章静载荷的基础上对动载荷进行计算，参考文献《过程设备设计》对塔体进行校核分析。

3.4.1 水平地震力

对于等直径、等壁厚的塔设备，可近似看出是质量和刚度沿塔体高度均匀分布的弹性连续体，也可称为无限自由度体系，因此任意高度处的集中质量引起的基本振型水平地震力按下式计算，按图进行塔体分段，从下往上依次为3段：

式中——为综合影响系数，取=0.5；

——为第一振型参与系数；

——为距地面处的集中质量；

——为对应于塔设备第一振型自振周期的地震影响系数；

G——为重力加速度。

的求取：

式中为地震影响系数的最大值，见下表

表5.1地震影响系数的最大值

为各类场地土的特征周期，见表5.2

表5.2场地土的特征周期

取设计烈度为8度，故=0.45，取Ⅲ类场土地，近振时，故=0.4

所以，

的求取：

表5.3第一振型参与系数第一振型参与系数计算表

由上表得：基本振型参与系数

所以，任意高度处的集中质量引起的基本振型水平地震力如下表所示：

3.4.2 垂直地震力

当震级大于八级时，还要计算垂直地震力。

计算垂直地震力的方法主要有以下三种：1、静力法；2、反应谱法；3、利用水平地震反应谱采用等效重力载荷进行计算。方法一的计算结果往往失实，方法二则因为目前没有任何规范推荐可以用于设计的垂直地震反应谱所以不能使用，所以方法三是目前处理垂直地震载荷最好的办法。GB-150所使用的计算垂直地震力的方法也是第三种。计算过程如下

塔设备底截面处的垂直地震力按式计算：

式中——垂直地震影响系数最大值，取，

——塔设备的当量质量，取=0.75，kg

任意质量i处垂直地震力：

表为求解处置地震力表

3.4.3 地震弯矩

塔设备任意计算截面Ⅰ-Ⅰ处基本振型地震弯矩按式计算：

 

式中，h为计算截面距地面的高度，mm。

（1）裙座人孔中线截面Ⅰ-Ⅰ，h=1000mm

（2）裙座与塔体连接处的焊缝截面Ⅱ-Ⅱ，h=3453.88mm

（3）底截面0-0的基本振型地震弯矩分别按式（5.6）计算：

底截面0-0，h=0

当塔设备H/>5时，还须考虑高振型的影响，再进行稳定和其他验算时，也可按式计算：

故

3.5 风载荷和风弯矩计算

3.5.1 水平风力

由于大多数塔设备安装在室外，所以会受到风的影响，即受到风载荷的作用。风载荷除了使塔体产生应力和变形外，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，而太大的塔体绕度则会造成塔盘上的流体分布不均，从而使分离效率下降。计算时，通常将其折算成静载荷，即在静力的基础上考虑与动力有关的折算系数，称为风振系数。

《过程设备设计》塔设备中第i计算段所受的水平风力由下式计算：

式中为塔设备各计算段的水平风力；

为空气动力系数，此次设计为圆筒截面所以取0.7；

为i段塔设备各计算段的风振系数，当塔高≤20m时，取=1.70；

为上海地区的基本风压，450N/m2；

为i段塔设备的风压高度变化系数，按表查取；

为i段离地高度；

塔设备各计算段的有效直径。

Fi由下表选取，由于化工设备一般设于郊区所以按照B类地面粗糙度。

表5.7风压高度变化系数

注：A类地面粗糙度指海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；B类指田野、乡村、丛林、丘陵及房屋比较稀疏的中小城镇和大城市郊区；C类指有密集建筑群的大城市市区。

的计算：

设笼式扶梯与塔顶管线分置180°时，

式中为塔设备各计算段的外径；为笼式扶梯当量宽度，无确切数据时，可取=400mm；为操作平台当量宽度，取600mm。

3.5.2 风弯矩

塔设备任意计算截面Ⅰ-Ⅰ处的风弯矩

塔设备地截面0-0处的风弯矩

表5.8风载荷和风弯矩

塔设备任意计算截面Ⅰ-Ⅰ处的风弯矩

Ⅰ-Ⅰ截面（离地1000mm处）风弯矩

Ⅱ-Ⅱ截面（离地3453.88mm处）风弯矩

3.6 塔体的强度和稳定性校核

对塔底危险截面（Ⅱ-Ⅱ）的轴向应力计算：

由内压和外压引起的轴向应力：

操作或非操作时重力及垂直地震力引起的轴向应力：

其中，仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时，计入此项。

最大弯矩引起的轴向应力：

塔底危险截面（Ⅱ-Ⅱ）抗压强度及轴向稳定性验算：

该截面上的最大轴向压缩应力发生在空塔时，

查文献得B=90MPa，组合系数K=1.2

因此塔底Ⅱ-Ⅱ截面满足抗压强度及轴向稳定条件。

塔底Ⅱ-Ⅱ截面抗拉强度校核：

该截面满足抗拉强度要求。

综合以上各项计算，在各种不同危险工况下塔体壁厚取，可以满足整个塔体的强度、刚度和稳定性要求。

3.7 裙座强度和稳定性校核

3.7.1 裙座底部0-0截面强度校核

（1）裙座底部0-0截面的组合应力校核

其中：仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入此项，mm2；

为裙座圆筒或锥壳的底部截面面积，mm2；

为裙座底部内直径，mm；

为裙座壳有效厚度，mm；

为裙座圆筒或锥壳底部界面呢系数，mm3；

B为系数根据GB150-2010来确定；

由于裙座为圆筒形，故

所以x<y

故裙座底截面组合应力满足校核要求。

（2）液压试验时组合应力校核

所以x<y

故裙座地截面处在液压试验时的组合应力满足校核要求。

3.7.2 裙座检查孔处h-h截面强度校核

h-h截面处组合应力计算及校核

a 操作时组合应力（检查孔）

式中：仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入此项

为h-h截面处水平方向的最大宽度，mm；

为检查孔或较大引出管线引出孔加强管长度，mm；

为h-h截面处的裙座壳的截面系数，mm；

为h-h截面处裙座壳的内直径，mm；

为h-h截面处加强管的厚度，mm；

由于引出管直径为，故引出孔直径为，且

因此

所以x<y

故符合要求

B液压试验时（检查孔）

为Ⅰ-Ⅰ截面处的风弯矩，N.mm；

为Ⅰ-Ⅰ截面以上塔器压力试验时的质量，kg；

所以x<y

故符合要求

3.7.3 裙座焊缝强度校核

裙座与塔底焊接于封头间的焊接接头可分为对接及塔接。

采用对接型式接头时，裙座筒体外与塔体下封头外径相等，焊缝必须采用全熔透的连接续焊，且与塔釜封头的外壁圆滑过渡。搭接型式接头的受力情况较差，只是因安装较方便。

本裙座设计采用对接型式。

裙座筒体上端面至塔釜封头的切线距离h

其中：为椭圆封头的内径，mm；

         为椭圆封头的厚度，mm；

      为裙座厚度，mm；

故                       

对接焊缝J-J截面处的拉应力按下式计算

式中：为对接焊缝处的垂直地震力，N；仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入此项；

为裙座顶截面的内直径，mm；

为对接焊缝处的最大弯矩，N·mm；

为J-J截面以上塔器操作质量，kg；

为裙座壳有效厚度，mm；

为设计温度下焊接接头的许用应力，取焊缝两侧母材许用应力较小值，MPa。裙座材料为Q345R，，筒体材料为Q345R，，故

因此

故焊缝强度满足校核要求。

3.8 本章总结

在这一章主要做了强度和稳定性计算。计算了质量载荷：操作质量，最大质量，最小质量。塔的自振周期。还计算了地震载荷与地震弯矩，风载荷与风弯矩。圆筒轴向应力校核及圆筒稳定校核。圆筒应力及应力校核，裙座轴向应力校核。通过计算得出强度和稳定性都符合要求。

4 零部件设计和选用

4.1 地脚螺栓座和地脚螺栓计算

4.1.1 基础环厚度计算

（1）基础环内外径的选取

外径=+(160~400)=1400+300=1700mm

内径=-(160~400)=1400-300=1100mm

（2）混凝土强度校核

A正常操作时

式中：为基础环截面系数，mm3；

为基础环截面积，mm2；

因此=0.575MPa

B水压试验

因此

以上应力均小于各种标号混凝土的压应力许用值4MPa，满足强度要求。

（3）基础环板厚度计算

由于塔径较大，为安全起见，裙座采用加筋板结构，取筋板厚度24mm，由32个均布地脚螺栓固定。

式中：为计算力矩，取矩形板x，y轴的弯矩，中绝对值较大者，，按JB4710-2005中表计算，N.mm/mm；

；

基础环板材料选用Q345R钢，

基础环上筋板间距离为

裙座和基础环外径间距离为

两筋板间基础环部分的长度比

故

基础环板采用Q345R钢，则其厚度在有筋板时为

取=2mm，再圆整至钢板系列尺寸，故取基础环厚度

4.1.2 地脚螺栓设计

（1）地脚螺栓承受的最大拉应力按下式计算

式中：为地脚螺栓承受的最大拉应力，MPa；

为基础环面积，mm2；

为基础环的截面系数，mm3；

取其中较大值

故

由于，所以塔器必须设置地脚螺栓。

（2）地脚螺栓的螺纹小径可按下式计算

式中：为地脚螺栓螺纹小径，mm；

为地脚螺栓腐蚀裕量，mm，根据JB4710取3mm；

n为地脚螺栓个数，一般取4的倍数，n=32；

由于地脚螺栓座选Q345R为制造材料，故

故M76×6的螺栓满足要求。

选用M76×6规格螺栓32个。

4.1.3 筋板的设计

（1） 筋板的压应力

式中：为筋板的压应力，MPa；

F为一个地脚螺栓承受的最大拉力，N；

为对应一个地脚螺栓的筋板个数；

为筋板宽度，mm；

为筋板厚度，mm；

故

（2） 筋板的许用应力

A 为细长比，按下式计算，且不大于250

为筋板长度，mm；

为惯性半径，对长方形截面的筋板取，mm；

B 为临界细长比，按下式计算

式中：E为筋板材料的弹性模量，MPa，由于筋板材料选用Q345，在20℃常温下E=2.09×105；

为筋板的许用应力，MPa，取

故

筋板的许用应力公式为

式中：为系数，

故=122.71MPa

因此

故筋板符合校核要求。

4.1.4 盖板的设计

本设计采用环形盖板且有垫板

故环形盖板的最大应力按下式计算

式中：为盖板的最大应力，MPa；

为垫板上的地脚螺栓孔直径，mm，取

为盖板上地脚螺栓孔直径，mm，取

为筋板宽度，mm，取

为筋板内侧间距，mm，取

为垫板宽度，mm，取

为盖板厚度，mm，取

为垫板厚度，mm，取

=18.04MPa

故

因此盖板满足设计要求。

4.2 塔顶吊柱的选择与设计

在确定完了塔体的质量之后，为其选择相应的吊耳吊住。

对于安装在室外无框架的整体塔，应考虑安装和检修时起吊塔台及其他附件的方便，所以常在塔顶安装可转动的吊柱。吊柱的吊钩与塔顶之间的距离，一般为1000mm以上，手柄至操作平台之间的距离，一般为1200~1500之间。这里取1200mm。

吊柱设置方位应考虑吊柱中心线与人孔中心线间有合适的夹角，使人站在平台上能操纵手柄转动吊柱管，将吊钩的垂直中心线转到人孔附近，以便从人孔装入或取出塔内件。

文献已经给出了塔顶吊柱的系列，当所设计吊柱的吊重及S、L参数在上述系列的范围内，即可直接选用标准的塔顶吊柱，不必设计计算。由于所给出的吊柱的起吊重量G=1000kg，悬臂长度为S=1200mm，在上述系列范围内。

由HG/T21639-2005摘录系列尺寸表相应参数：，L=3400mm，H=1000mm，R=935mm，e=300mm。

4.3 吊耳的选择和设计

吊耳的选择主要取决于吊装质量和设备重心，可分为顶部板式吊耳，侧壁板式吊耳和轴式吊耳。

由于此次塔体重量较重，故选用AXA型吊耳。

吊耳公称直径250mm，单个吊耳吊重2.5~30t，=273，=510，=400，L=150，S=16mm。

4.4 填料塔内件设计

4.4.1 总体结构

填料塔主要有塔体、液体分布器、液体再分布器、填料、气体分布器、裙座、除沫器、接管、人孔和手孔、吊耳和吊柱及其他附件组成。此章主要选取和塔体设计无关的一系列内件。

4.4.2 液体分布器

液体分布器选用莲蓬头式喷洒器，喷头直径，喷洒角≤80°，喷洒外圈距塔壁x=70~100mm，喷头高度，小孔直径=3~10mm。

4.4.3 液体再分布器

液体再分布器选用结构简单、牢固可靠、便于安装、能承受住气、液流体的冲击的集液再分配锥。

综上所述，此次设计采用截锥式液体再分布器，，，，且此次设计中填料未分段，故截锥式液体再分布器如图所示。

4.4.4 填料支撑板

填料支撑板选用栅板结构。

4.4.5 除沫器

除沫器参照HG-T21586选用抽屉式丝网除沫器，，H=100mm，H1=160mm，分块数N=2。

4.5 设备接管

4.5.1 排液管

排液管一般设置在底部封头处，通过裙座上的通道管引导裙座外部。

4.5.2 进气管

进气管的装配位置由工艺条件确定。但应设置在最高液面之上，避免液体淹没气体通道。本次设计选用双列叶片式气体分布器作为气体分布器。

4.5.3 人孔

人孔是安装或检修人员进出塔器的唯一通道。人孔的设置应便于人员出入填料层。人孔的选择应考虑设计压力，试验条件，设计温度，物料特性及安装环境等因素。人孔法兰的密封面形式及垫片用材料，一般与塔的接管法兰相同。操作温度高于350℃时，应采用对焊法兰人孔。此次设计的填料塔全高为7m，故设置一个常压人孔。

4.5.4 平台及扶梯

操作平台应设置在人孔、手孔、塔顶吊柱、液面计等需要经常检修和操作的地方。操作平台应布置在检修时不需要另外设置脚手架和缆索的地方。

平台下的地面往往是通道，所以底层平台的净空高度不应小于2.0米。各层平台之间的最小间距也不得小于2.0米，若无特殊要求，层间距也不应大于8.0米。

操作平台的宽度应根据检修需要而定，一般为0.8米~1.2米，最小不得小于0.6米。当平台设在手孔或检修人孔附近时，净宽不小于0.9米。

4.6 法兰连接设计

4.6.1 容器法兰的选取

压力容器法兰分类如下图：

为了简化计算、降低成本、增加互换性，世界各国都制定了一系列法兰标准。实际使用时，应尽可能选用标准法兰。

选择法兰的主要参数是公称压力和公称直径。根据设计压力0.18MPa，设计温度100℃，圆筒直径1406mm，查JB/T-4702《乙型平焊法兰》选用乙型平焊法兰凹凸密封面PN=0.6MPa，DN=1400mm的容器法兰。

其具体参数为DN=1400mm，D=1560mm，=1515mm，=1476mm，=1456mm，=1453mm，，H=270，，a=21，a1=18，d=27mm，螺栓M24数量为60个。

4.6.2 接管及孔径

表6.1将此次塔设计的主要接管及其公称直径、壁厚、材料等参数通过表格形式列举出来。

按照一般直管选用方法，DN≤80mm的管子伸出长一般选择150mm，管径处于80mm<DN≤250mm的直管一般伸出长为200mm。DN>250mm的直管则由实际工艺确定。

回流管与液体进料管应满足以下要求：液体不直接接触塔填料区；尽量使液体均匀分布；接管安装高度应不妨碍液体分布器上端液体流动；液体内含有气体时，应设法派出；管内的允许流速一般不超过1.5到1.8m/s。

4.6.3 管法兰连接设计

标准管法兰的选用应根据容器或管道公称直径、公称压力、工作温度、工作介质特性以及法兰材料进行选用。

4.6.4 管法兰连接面选择

目前，中国管法兰标准较多，主要有国际标准GB9112~9125《钢制管法兰》，机械行业标准JB/T74~90《管路法兰和垫片》以及化工行业标准HG20592~20635《钢制管法兰、垫片、紧固件》等。考虑到HG20592~20635管法兰标准系列的适用范围广、材料品种齐全，在选用管法兰时优先采用该标准。

因为塔上所开孔径公称直径的范围在Ø15~Ø600之间，设计压力为0.18MPa，设计温度为100℃，法兰材料为Q345R。参照中华人民共和国化学工业部《HG20592~20635-2009钢制法兰》，选择PN0.6MPa板式平焊钢制管法兰钢管法兰，连接面形式选择全平面。

4.7 本章总结

在本章中主要做了零部件的设计和选用。其中基础环厚度为，地脚螺栓的规格为M76×6，个数为32个。选择了吊柱以及吊耳。塔顶吊柱的起吊重量G=1000kg，悬臂长度为S=1200mm。吊耳选择了AXA型吊耳。还对填料塔的内件进行了选择，有液体分布器、液体再分布器、填料、填料支撑板、除沫器、设备接管、设备接管还分为进液管、出液管、进气管、出气管等。最后还对法兰和平台及扶梯进行了选择。

结论

经过本次毕业设计，我通过利用已知的设计参数独立设计一个铜氨液、再生气回流塔，在此期间遇到了许多困难，但都通过查阅文献资料并反复与指导老师及同学交流克服并解决掉了，使我对化工机械设备，尤其是塔设备方面有了进一步的了解，对设计所需要的标准有了较强的认识，不足的是我在考虑问题方面还是有些欠缺经验，不能够很好地融会贯通四年所学到的相关知识，对设计中有些问题也考虑的不够全面，指导老师朱老师对我的指点与帮助使我能意识到这些问题并加以修改，对此我抱以感谢。

总而言之，通过此次毕业设计使我明白了要从各方面周全的考虑问题。

致谢

本次的毕业设计是在朱柳娟老师的悉心指导下完成的。朱老师具有渊博的专业知识、严谨的教学态度、精益求精的工作精神、诲人不倦的高尚师德、平易近人的人格魅力对我影响至深，不仅使我掌握了基本的研究方法，同时还帮助我树立了正确的处事态度。本次设计的每一步都离不开朱老师的教导，朱老师对我所倾注的心血令我感动及敬佩。在此，谨向朱老师表达崇高的敬意和衷心的感谢！

在完成此次工程设计以及说明书的过程中，还得到了张慧敏老师、孔令超老师等多位老师的大力指导和纠正，在此表示衷心的感谢！

同时，也感谢在此次毕业设计中与我一同交流并相互帮助的各位同学！

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