分子篩吸附器設計說明書

浙江工業(yè)大學浙江工業(yè)大學分子篩吸附器設計說明書學院：機械工程學院班級：過控1302學號：201302071301姓名：20160606設計小結 33參考文獻 33第一章概述1.1塔設備概論塔設備是化工、石油化工和煉油、醫(yī)藥、環(huán)境保護等工業(yè)部門的一種重要的單元操作設備。它的作用是實現(xiàn)氣（汽）——液相或液——液相之間的充分接觸，從而達到相際間進行傳質及傳熱的目的?？稍谒O備中完成的常見的單元操作有：精餾、吸收、解吸和萃取等。此外，工業(yè)氣體的冷卻與回收、氣體的濕法凈制和干燥，以及兼有氣液兩相傳質和傳熱的增濕、減濕等。塔設備應用面廣、量大，其設備投資費用占整個工藝設備費用的較大比例。在化工或煉油廠中，塔設備的性能對于整個裝置的產品產量、質量、生產能力和消耗定額以及三廢處理和環(huán)境保護等各個方面都有重大的影響。因此，塔設備的設計和研究受到化工、煉油行業(yè)的極大重視。為了使塔設備能更有效、更經濟地運行，除了要求它滿足特定的工藝條件外，還應滿足以下要求：1.氣液兩相充分接觸，相際間傳熱面積大；2.生產能力大，即氣液處理量大；3.操作穩(wěn)定，操作彈性大；4.阻力??；5.結構簡單，制造、安裝、維修方便，設備的投資及操作費用低；6.耐腐蝕，不易堵塞。塔設備的分類：1.按操作壓力分有加壓塔、常壓塔及減壓塔；2.按單元操作分有精餾塔、吸收塔、介吸塔、萃取塔、反應塔、干燥塔等；3.按內件結構分有填料塔、板式塔。1.2分子篩吸附器的主要結構在塔設備的類別中，由于目前工業(yè)上應用最廣泛的是填料塔及板式塔，所以主要考慮這兩種類別。填料塔的總體結構見裝配草圖。由圖可見，填料塔除了各種內件之外，主要由塔體、支座、人孔或手孔、除沫器、接管、吊柱及扶梯、操作平臺組成。a.塔體塔體即塔設備的外殼，常見的塔體由等直徑、等厚度的圓筒及上下封頭組成。對于大型塔設備，為了節(jié)省材料也有采用不等直徑、不等厚度的塔體。塔設備通常安裝在室外，因而塔體除了承受一定的操作壓力（內壓或外壓）、溫度外，還要考慮風載、地震載荷、偏心載荷。此外還要滿足在試壓、運輸及吊裝時的強度、剛度及穩(wěn)定性要求。本設計分子篩吸附器4.1MPa，采用等直徑等厚度型式。b.支座塔體支座是塔體與基礎的連接結構。因為該塔設備較高、重量較大，為保證其足夠的強度及剛度，故采用裙式支座。c.人孔及手孔為安裝、檢修、檢查等需要，本初餾塔體上設有人孔。d.接管用于連接工藝管線，使塔設備與其他相關設備相連接。本初餾塔的主要接管見草圖。e.吊柱安裝于塔頂，主要用于安裝、檢修時吊運塔內件。此外，還有法蘭等其他結構。第二章分子篩吸附器基本結構的設計2.1設計條件已知給定設計條件如下：工作介質：天然氣塔徑：1800mm工作參數(shù)：最高工作壓力4.1MPa，最高工作溫度260℃開口及接管根據(jù)現(xiàn)場確定。地震基本烈度為7度，基本風壓0.30KN/m2。2.2材料的選擇2.2.1筒體和封頭材料的選擇在剛度或結構設計為主的場合，應盡量選用普通碳素鋼。在以強度設計為主的場合，應根據(jù)壓力、溫度、介質等使用限制，選用Q345R系列的碳素鋼。由于容器設計壓力為4.51MPa，使用溫度為280℃，故筒體和封頭都選用Q345R的鋼板。由于橢圓形封頭吸取了半球形封頭受力好和蝶形封頭受力淺的優(yōu)點，且橢圓部分經線曲率變化平滑連續(xù)，應力分布比較均勻，所以選擇橢圓形封頭。2.2.2裙座材料的選擇裙座不直接與塔內介質接觸，也不承受塔內介質的壓力，因此不受壓力容器用材的限制。可選用較經濟的普通碳素結構鋼。故也選用Q345R。2.2.3接管的材料選用接管用16Mn鍛件，法蘭選用16Mn鍛件。具體將在裝配圖上注明。2.3塔常規(guī)設計2.3.1筒體設計3.1.2厚度計算（1）圓筒厚設計壓力P=4.51MPa，設計溫度t=280℃筒體和封頭材料均選Q345R查GB150.2—2011中表可得：，a.對于筒體：考慮采用雙面對接焊，全部無損探傷，焊接接頭系數(shù)取Φ=1，筒體計算厚度腐蝕裕量取3mm筒體設計厚度對Q345R，鋼板負偏差C1=0.3mm。因而可去名義厚度，對低合金鋼制的容器，規(guī)定不包括腐蝕余量的最小厚度不小于3mm，若加上2mm的腐蝕余量，名義厚度至少取32mm,由鋼材標準規(guī)格，名義厚度取32mm.經檢查當時，無變化，故合適。（1）筒體的高度筒體的高度是指從塔體上封頭切線到塔體下封頭切線之間的高度。根據(jù)提供的參數(shù)直徑是1800mm,設備的容積是15立方米，故計算出筒體高度為5300mm。2.3.2封頭設計（1）橢圓形封頭根據(jù)GB/T25198-2010，選用EHA1800×30—Q345R型號封頭。如圖2-1。圖2-1表2.1EHA橢圓形封頭參數(shù)公稱直徑DN/mm總深度H/mm內表面積A/mm2容積V/mm3直邊高度h/mm質量m/kg18005075.21.6251325對于封頭：查表4-16可得封頭計算厚度：QUOTEQUOTE同樣可取封頭名義厚度為32mm，其中C1=0.3，C2=3mm。（2）裙座殼厚度取裙座殼有效厚度14mm，其名義厚度為16mm。2.3.4填料支撐梁的設計當塔體填料必須設置主梁時，應設法盡量減少主梁高度，以減少它對工藝操作的影響，并要求在安裝時，人員能從梁底下通過。2.3.5人孔人孔的設置應便于人員進入塔體。塔體上封頭帶法蘭蓋開孔人孔。人孔法蘭的密封面型式及墊片用材，一般與塔的接管法蘭相同。采用對焊法蘭人孔。人孔深入塔內部分應與塔的內壁修平，其邊緣須倒棱或磨圓。設計人孔尺寸為Φ500mm。2.3.6接管（1）原料氣入口原料氣入口的結構，要能防止液體淹沒氣體通道，并防止固體顆粒的沉淀。原料氣入口的工程直徑為100mm。伸出的長度為200mm。管直徑選擇Φ146x25規(guī)格鍛管。（2）釜液排污口釜液從塔底出口管流出時，會形成一個向下的漩渦，使塔釜液面不穩(wěn)定，且能帶走氣體。塔釜出口應設置防渦流擋板，見施工圖。釜液出口管直徑選擇Φ46x14mm規(guī)格鍛管。引出孔的加強管上，一般應焊支撐板支撐。裙座上應開設檢查孔，選圓形的檢查孔，數(shù)量一個。引出孔、檢查孔的加強管與裙座殼的連接應采用全焊透結構。（3）其他接管選型a.塔頂裝料孔：DN500b.塔體卸料孔：DN250c.塔頂原料氣出口：DN1002.3.7管法蘭（1）根據(jù)法蘭標準歐洲體系HG/T20592-2009和HG/T20615-2009法蘭的選用，選擇帶頸對焊鋼制法蘭，采用凹面連接型式。如圖2-4。圖2-4表2.3管法蘭尺寸表管口原料氣入口原料氣出口人孔，裝料孔卸料孔排污口檢查孔排氣口公稱直徑DN1001005002502050065管外徑14614656835746法蘭外徑D250250775470130螺栓孔中心圓直徑K200200685.840090螺栓孔直徑L2626363618螺栓孔數(shù)量n8824124螺紋ThM24M24M33M33M16法蘭厚度C3030624622法蘭頸N13813858731642SH11212188R88124法蘭高度H787816012548法蘭重量9.59.5167.5482f254.54.554.5f343.53.543.5注：以上數(shù)據(jù)按照法蘭HG/T20592-2009和HG/T20615-2009標準選取。（2）墊片選擇墊片是螺栓法蘭連接的核心，密封效果的好壞主要取決于墊片的密封性能，選纏繞墊片。表2.6公稱直徑內環(huán)內徑纏繞墊內徑纏繞墊外徑外環(huán)外徑纏繞墊厚度內外環(huán)厚度1001161281481744.531001161281481744.53500500525.5577.96534.532502762883163644.5320273345724.53（3）緊固件的選擇根據(jù)標準HG/T20613-2009和HG/T20634-2009，密封面型式是凸面。螺柱材料35CrMoA，螺母材料30CrMo。2.4塔設備的附件2.4.1除沫器在塔內操作氣速較大時，會出現(xiàn)塔頂霧沫夾帶，這不但造成物料的流失，也使塔效率降低，同時還可能造成環(huán)境污染。為了避免這種情況，需在塔頂設置除沫器，從而減少液體夾帶損失，確保氣體的純度，保證后續(xù)設備的正常操作。這里我們選擇絲網(wǎng)除沫器，它有比表面積大，重量輕，空隙率大以及使用方便等優(yōu)點。2.4.2吊環(huán)安裝在室外，無框架的整體塔設備，為了安裝和拆卸內件，更換或補充填料，往往在塔頂設置吊環(huán)2.4.3裙座的高度裙座的高度是指從塔底封頭切線到基礎環(huán)之間的高度。具體尺寸如下圖2-2所示，裙座的全部高度有V和U相加和得到。其中U由工藝決定，在此分子篩吸附器設計中可以取裙座總高為1500mm。圖2-2塔的總高度:H=1500+5300+507=7307mm第三章強度和穩(wěn)定性計算3.1厚度計算校核3.1.1厚度計算過程步驟安裝在室外的大型塔設備——分子篩吸附器，除受操作壓力作用外，還受設備自身質量引起的重力，地震、風載荷等的作用，而引起的軸向應力。從而可能使軸向組合應力，大于設計壓力而引起的環(huán)向應力，而使設備因軸向應力過大而破壞。因此我國NB/T47014—2014《塔式容器》規(guī)定對高度大于10m，且高度與直徑之比大于5的裙座自支承塔式容器，按設計壓力計算確定塔殼的圓筒和封頭的有效厚度后，再根據(jù)地震、風載荷的需要，并考慮制造、運輸、安裝的要求，設定一個不得小于按壓力計算的圓筒有效厚度δes，且δes應不小于6mm。然后進行載荷計算，圓筒應力校核和裙座計算，校核設定的δe、δes是否合適，以確保塔式設備的環(huán)向、軸向強度和穩(wěn)定性。3.2設備校核計算kg/m31000mm100012345mmmmmm12345mm7000mm3000kg/m330012345kgmmmm1.2N/m20mm500mm100kg/m3300mm0kg/m30mm100mm100180I1B7度(0.1g)第二組地震影響系數(shù)最大值max0.080.011mm1200mm3000mm3000裙座圓筒形mm1800對接mm2000Q345R℃0mm2mm16MPa189裙座與筒體連接段的材料裙座與筒體連接段在設計溫度下許用應力MPa裙座與筒體連接段長度mm2mm1000mm500mm12裙座上較大孔引出管長度mm250Q235MPa14716mm2432mm294.11mm70mm12mm100整塊mm40mm16mm0有mm27mm12mm50mm1976mm1656mm2032324.70132324.66432324.701裙座1616風載及地震載荷0－0A－A裙座與筒體連接段1－1(筒體)1－1(下封頭)2－23－322667.321767.419755.319755.31624215342.1133301333031382.830482.913330133300000順風向彎矩順風向彎矩0000注:計及高振型時,此項按B.24計算532900004222000031360000313600000000需橫風向計算時53290000422200003136000031360000000070.7170.712.872.841.191.191.531.230.430.430.810.81109.76109.763.973.980.810.810.000.000.000.00[]t189.00189.00148.60148.60B152.49152.49117.23117.14組合應力校核(內壓),(外壓)69.9569.95178.32178.32(內壓),(外壓)4.404.071.241.24182.99182.99140.67140.57108.95108.95292.50292.503.973.980.810.81152.49152.49170.51117.14224.82224.82292.50292.50合格合格合格合格mm3383821000mm2912820Nmm934.186mm6.17合格MPa0.38MPa0.00MPa0.00MPamm0mm20.752地腳螺栓承受的最大拉應力小于零,塔器可以自身穩(wěn)定，地腳螺栓僅起固定作用MPa0.00MPa0.00合格MPa0.00MPa147合格kg19755.3Nmm31358100mm277471.6mm334862200MPa-1.60MPa106.992合格mm2mm3MPaMPaMPaMPamm16mm315140800000mm7807kg10949.3kg2189.86kg0kg965.059kg2137.75kg6425.31kg15140.8kg13139.2kg22667.3kg16242kg31382.8mm4117.24s0.57ss臨界風速(第一振型)臨界風速(第二振型)雷諾系數(shù)設計風速N0N11105.9mm0MPa注：內件質量指塔板質量；填料質量計入物料質量；偏心質量計入直立容器的操作質量、最小質量、最大質量中。第四章開孔補強4.1補強的判據(jù)安裝接管要在容器上開孔，這就削弱了器壁的強度，在殼體和接管的連接處，因結構的連續(xù)性被破壞，會產生很高的局部應力，給容器的安全操作帶來隱患。所以需要開孔補強。比較幾種開孔補強的方法，由于母材為Q345R系列，我們采用補強圈補強，由于接管的加厚部分正處于最大應力區(qū)域內，能有效降低應力集中系數(shù)，而且補強的結構簡單。焊縫少，補強效果比較好，鍛件補強由于制造成本我們在此沒有必要考慮。而厚壁管補強我們也可以選用。當設計壓力小于或等于2.5MPa的殼體上開孔，而相鄰開孔中心的間距大于兩孔直徑之和的兩倍，且接管工稱外徑小于或等于89mm時，只要接管最小厚度滿足要求，就可不另行補強。需要另行開孔補強的開孔為：4.2排污口補強（接管Φ46x14）開孔直徑接管許用應力強度削弱系數(shù)接管有效厚度開孔所需補強面積a.有效寬度Bb．有效高度外側有效內側有效c.封頭多余金屬面積d.接管多余金屬面積接管計算厚度接管多余面積e.接管區(qū)焊接面積（焊腳取6.0mm）f.有效補強面積>A不需要補強。4.3原料氣入口的補強（接管Φ146x25）開孔直徑強度削弱系數(shù)接管有效厚度開孔所需補強面積a.有效寬度Bb．有效高度外側有效內側有效c.封頭多余金屬面積d.接管多余金屬面積接管計算厚度接管多余面積e.接管區(qū)焊接面積（焊腳取6.0mm）f.有效補強面積>A不需要補強。4.4卸料孔補強（接管Φ357x50）開孔直徑強度削弱系數(shù)接管有效厚度開孔所需補強面積a.有效寬度Bb．有效高度外側有效內側有效c.封頭多余金屬面積d.接管多余金屬面積接管計算厚度接管多余面積e.接管區(qū)焊接面積（焊腳取6.0mm）f.有效補強面積>A不需要補強。4.5人孔補強（接管Φ568x50）開孔直徑強度削弱系數(shù)接管有效厚度開孔所需補強面積a.有效寬度Bb．有效高度外側有效內側有效c.封頭多余金屬面積d.接管多余金屬面積接管計算厚度接管多余面積e.接管區(qū)焊接面積（焊腳取6.0mm）f.有效補強面積>A不需要補強。第五章主要零部件的制造工藝5.1筒體制造其主要工序包括：原材料準備，劃線，切割，彎曲，成型，邊緣加工。1原材料準備原材料定義為工件材料（各種鋼材、鍛件、鑄件等）和焊接材料（焊條、焊絲、焊劑等）。其準備步驟包括：原材料的驗收和管理；（2）鋼材的凈化，包括焊口處的凈化、涂漆及襯里表面的清理，凈化對象是油、銹、氧化膜，凈化方法采用手工凈化或機械凈化；（3）用彎曲法對鋼材進行校正。2.劃線（1）展圖，用計算法將正圓柱面展開成一矩形，L*B=（Di+2δ）*H號料：1）余量:正式劃到鋼材上的尺寸A=A1+A2+A3－A4A1：切割時的加工余量，一般留2～3mm；A2：切后刨邊余量，留約5mm；A3：焊縫收縮余量；A4：焊縫組隊時留的間隙。2）樣板劃線：用紙板制成樣板再在鋼板上作圖；3）排樣；4）標號。3.切割，即下料用等離子切割；4.邊緣加工，加工出符合要求的破口形式；5.彎曲，即對鋼板進行卷板，卷板后用電焊筋板固定，以防鋼板變形；6.焊接；7.熱處理；8.無損檢測；9.總檢。5.2封頭1．原材料準備（1）材料的驗收與管理；（2）鋼材的凈化；（3）用彎曲法對鋼材進行矯形。2.劃線（1）展圖，依變形近似法中的等面積法，標準橢圓封頭的中心直徑為D，直邊為h；（2）號料。3.切割，即下料用等離子切割；4.邊緣加工，加工出符合要求的破口形式；5.由于封頭DN=1800mm，采用整體沖壓成型，且冷沖為好；6.熱處理；7.無損檢測；8.總檢。5.3塔設備的制造1.塔盤板長度偏差不得超過－4至+0之間，寬度偏差不得超過+0至－2之間。2.塔盤板需要維持一定的水平度，否則將影響氣液的分布。除在制造及安裝中會引起偏差外，且因塔盤板的自重，液體負荷以及塔體彎曲及局部不平整在整個板面外均不得超過2mm；在安裝后，塔盤板水平在整個面上的偏差fm不得超過4mm。3.為了保證塔盤的水平度，支持圈的表面水平度亦有一定的要求，在300mm旋長的表面上，局部水平度不超過1mm，總的水平度的允許偏差與塔盤相同，相鄰兩支持圈間距的偏差不超過±20mm。4.支持圈的表面與主梁及支持梁的表面應在同一表面上，兩表面的最高與最低只差不得超過±3mm。5.溢流堰頂?shù)乃蕉葘λP板的操作及效率均有影響，故堰頂?shù)牟黄蕉炔怀^堰寬的1/1000，且不大于3mm。6.降液班安裝后，其下端與受液盤距離E的偏差為±3mm。7.塔體彎曲度應小于1/1000塔高，塔體最大彎曲度為，但塔高大于20mm，不得超過30mm，塔體安裝垂直度偏差應小于1/1000塔高，且不大于15mm。8.塔體在同一斷面上的最大直徑與最小直徑：對常壓塔e<10%Dg。9.接管一般在塔體安裝好以后進行，在安裝后要檢查塔的位置和塔的方位是否正確，個管口的高度偏差一般均在±6mm以內。5.4塔體的制造技術條件的規(guī)定1.制造用的原材料：應符合各項要求，如設計要求GB150-2011，對入廠的材料進行檢查和驗收，如有必要可進行復檢。2.加工和成型：塔體材料在加工過程中，標記應保留。必要時，應將標記轉移到工件上，并保證轉移標記的正確、無誤、清晰、耐久。3.焊接和切割：塔體上開孔應盡量不安排在焊縫及其臨近區(qū)域，焊接采用電弧焊。4.焊后熱處理：應符合GB150-2011的有關規(guī)定。心得體會通過這次課程設計，讓我更加深刻了解課本知識，和以往對知識的疏忽得以補充，在設計過程中遇到一些模糊的公式和專業(yè)用語，在使用手冊時，有的數(shù)據(jù)很難查出，但是這些問題經過這次設計，都一一得以解決，我相信這本書中還有很多我為搞清楚的問題，但是這次的課程設計給我相當?shù)幕A知識，為我以后工作打下了嚴實的基礎。我感覺到這些天我的所學勝過我這一學期所學，這次任務原則上是設計，其實就是一次大的作業(yè)，是讓我對課本知識的鞏固和對基本公式的熟悉和應用，使我做事的耐心和仔細程度得以提高。課程設計是培訓學生運用本專業(yè)所學的理論知識和專業(yè)知識來分析解決實際問題的重要教學環(huán)節(jié)，是對三年所學知識的復習和鞏固。同樣，也促使了同學們的相互探討，相互學習。因此，我們必須認真、謹慎、踏實、一步一步的完成設計。如果時間可以重來，我可能會認真的去學習和研究，也可能會自己獨立的完成一個項目，我相信無論是誰看到自己做出的成果時心里一定會很興奮。此次設計讓我明白了一個很深刻的道理：團隊精神固然很重要，擔人往往還是要靠自己的努力，自己親身去經歷，這樣自己的心里才會踏實，學到的東西才會更多。課程設計是一個重要的教學環(huán)節(jié)，通過課程設計