吸收塔设计

一、课程设计的内容
主要内容发是设计吸收塔塔体和群座。

二、课程设计要求
吸收塔的塔径1500mm，塔高20 m，工作压力要求0.5Mpa，在常温下工作，工作介质微腐，工作地点在济南，要求能抵抗300Pa的基本风压，抗震要求6级，塔体中部设一人孔，塔中填料重3000 kg，操作时物料重20000 kg。

各接管：
裙座人孔——400 温度——32
取样——25
进气——200 进液——100
出液——100
压力计——25 人孔——450
出气——150
三、文献查询方向及范围
1.主要参考文献
[1] 谭蔚主编.化工设备设计基础[M].天津大学出版社,2007
目录
一、前言 (1)
二、塔体选材 (1)
三、按设计压力计算筒体和封头壁厚 (1)
3.1筒体壁厚 (1)
3.2封头壁厚 (2)
四、各种载荷计算 (2)
4.1设备自重 (2)
4.1.1塔体重 (2)
4.1.2内构件重 (2)
4.1.3保温层重 (2)
4.1.4平台重 (2)
4.1.5物料重 (2)
4.1.6附件重 (3)
4.1.7充水重 (3)
4.24.2 风载 (3)
4.2.1各段风载 (3)
4.2.2各段风弯矩 (6)
4.2.3地震载荷 (6)
五、各载产生的轴向应力 (9)
5.1设计压力产生的轴向应力 (9)
5.2操作重量产生轴向压应力 (9)
5.3最大弯矩产生的轴向应力 (9)
按组合轴向应力验算塔体和裙座壁厚 (10)
5.4按轴向拉应力验算筒体壁厚 (10)
5.5按组合轴向压应力验算筒体和裙座壁厚 (10)
5.6验算水压试验应力 (11)
5.6.1强度验算 (11)
六、基础环设计 (12)
6.1选取基环直径 (12)
6.2基础环厚度计算 (12)
七、地脚螺栓直径的计算 (14)
7.1底座环上最大拉应力 (14)
八、焊缝结构设计 (14)
结论 (15)
参考文献 (16)
济南大学课程设计
一、前言
在化工、炼油、医药、食品及环境保护等工业部门，塔设备是一种重要的单元操作设备。

其作用实现气—液相或液—液相之间的充分接触，从而达到相际间进行传质及传热的过程。

它广泛用于蒸馏、吸收、萃取、等单元操作，随着石油、化工的迅速发展，塔设备的合理造型设计将越来越受到关注和重视。

塔设备有板式塔和填料塔两种形式。

利用气体混合物在液体吸收剂中溶解度的不同，使易溶的组分溶于吸收剂中，并与其他组分分离的过程称为吸收。

操作时，从塔顶喷淋的液体吸收剂与由塔底上升的气体混合物在塔中各层填料或塔盘上密切接触，以便进行吸收。

伴有化学反应的吸收叫化学吸收。

按吸收时气液作用方式吸收塔可分为表面式、膜式、喷淋式和鼓泡式等。

二、塔体选材
据工作压力0.5MPa ，工作温度常温，属于低压常温。

工作介质微腐，故选Q235-A 。

三、按设计压力计算筒体和封头壁厚
3.1.筒体壁厚
设[σ]t=113MPa []P
PDi
t
-=
ϕσδ2 P —设计压力，应略大于工作压力 )(58.0575.015.15.0MPa P ≈=⨯= ϕ—用单面对接焊，局探，8.0=ϕ 则)(83.458
.08.011321500
58.0mm =-⨯⨯⨯=
δ
)(8.583.5183.42mm C d ≈=+=+=δδ 查mm C 6.01= )(4.61mm C d n =+=δδ 取mm n 10=δ
查[σ]t 无变化，故mm n 10=δ合适。

3.2. 封头壁厚
采用标准椭圆形封头，取封头壁厚为10mm 。

四、各种载荷计算
4.1.设备自重
4.1.1塔体重m 1
()[]()()[]())
(76795)(5.7679108.701.001.025.1785.02108.7205.101.025.1785.0224
22413
2
3
2
2
2
2
N kg D H D D m n
n
i
i
n
i
==⨯⨯⨯⨯+⨯⨯+⨯⨯⨯-⨯+=+⨯+-+=
ρδδπρδπ
4.1.2内构件重
塔中填料重为3000kg ，所以N kg m 3000030002== 4.1.3保温层重
取保温层厚度0.1m ，密度3/300m kg
()()[]()()[])
(30521)(1.30523002001.025.11.0201.025.1785.02224
2
2
2
2
3N kg H D D m n
i
n
i
==⨯⨯⨯+-⨯+⨯+=+-++=ρδδδπ
4.1.4平台重
由工艺条件知，每10个塔盘设一人孔，一平台，共4个。

每个平台为半圆形，取平台宽度0.9m ，平台自重q=150kg/m3
()()[]()()[])
(22212)(2.22212
4
1501.0201.025.19.021.0201.025.1785.02
2222242
2
2
2
4N kg qn D B D m n
i
n
i
==⨯⨯+⨯+-⨯+⨯+⨯+=++-+++=
δδδδπ
4.1.5物料重
操作时物料重20000kg ，所以N m 2000005=
4.1.6附件重
各种管口（人孔、接管、法兰）估计 取N kg m a 150001500== 4.1.7充水重
)(353250)(353251000205.1785.04
20N kg H D m i w ==⨯⨯⨯==
ρπ
以上各载按不同情况组合 操作时 )(374528)(8.37452543210N kg m m m m m m m a ==+++++= 水压试验时 )(527778)(8.527774321m a x N kg m m m m m m m w a ==+++++= 安装时 )(174528)(8.174524321m i n N kg m m m m m m a ==++++=
表1 各情况下的重量 （单位：N ）
m 0 m max m min 374528
527778
174528
4.2风载
先确定最危险界面 0-0 裙座底部 1-1 裙座人孔
2-2 裙座与塔体连接处的焊缝 3-3 第二人孔下 4-4 顶面 4.2.1各段风载
有效D h f q K K F i i i 021=
K1—空气动力系数，对于圆形，取0.7 K2—风振系数，ξi m K +=12 mi —高度系数
表2[1]
距地面高度[m]
≤20 40 60 80 100 m i
0.35
0.32
0.26
0.25
0.21
ξ—动荷系数，与塔的自振周期T 有关
表3[1]
自振周期T[s] >0.25 0.5 1.0 1.5 2 2.5 3 4 ≥5 系数ξ
1
1.4
1.7
2.0
2.3
2.5
2.7
3.0
3.2
塔的自振周期T
)
(60.0101500
10102200008.374522000033.901033.903
3
53
3
0s D E H m H
T i
n =⨯⨯⨯⨯⨯⨯=⨯=--δ （1）对于0-1段 查表1得到m i =0.35 查表2 由
4
.15
.06.04.17.15.00.1--=--ξ 得到ξ=1.46
所以有51.146.135.0112=⨯+=+=ξi m K 设备设计要求基本风压为300Pa,所以q0=300Pa
表4[1] 风压高度变化系数i f
距地面高度H it
地面粗糙度类别
A B C D 5 1.17 1.00 0.74 0.62 10 1.38 1.00 0.74 0.62 15 1.52 1.14 0.74 0.62 20
1.63
1.25
0.84
0.62
注1： A 类系指近海海面及海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；
B 类系指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区
C 类系指有密集建筑群的城市市区
D 类系指有密集建筑群且房屋较高的城市市区
查表4得到高度变化系数74.010=-f 0-1段长度m h 110=-
有效直径 4302K K D D +++=δ有效
)(14.350712.205.730074.051.17.0320322132N D h q f K K F =⨯⨯⨯⨯⨯==---有效外径m D 52.10= 保温层厚度m 2.01.022=⨯=δ 扶梯宽度mm K 4003= 平台宽度024≈=
∑i
h F K F-水平投影面积，0≈F
所以有)(12.24.02.052.1m D =++=有效 0-1段风载
( 2 ) 同理，对于1-2段
查表4，得到高度变化系数74.021=-f 1-2段长度m h 8.121=- 1-2段风载
（3）同理，对于2-3段 查表4，得到高度变化系数74.032=-f 2-3段长度m h 05.732=- 2-3段风载
（4）同理，对于3-4段
查表4，得到高度变化系数84.043=-f 3-4段长度m h 5.1043=- 3-4段风载
表5 各段风载
计算段 0-1
1-2
2-3
3-4
备注 K 1 0.7 形状系数 K 2 1.51 风振系数 q 0
300Pa
基本风压
)(47.49712.2130074.051.17.010*******N D h q f K K F =⨯⨯⨯⨯⨯==---有效)(44.89512.28.130074.051.17.021*******N D h q f K K F =⨯⨯⨯⨯⨯==---有效)(26.592912.25.1030084.051.17.0430432143N D h q f K K F =⨯⨯⨯⨯⨯==---有效
f i 0.74 0.74 0.74 0.84 高度系数 h i 1
1.8
7.05
10.5
各计算高度 D 有效 2.12
有效直径
F i
497.47 895.44 3507.14 5929.26 各段风载
4.2.2 各段风弯矩
)(983.10308325.1005.78.126.5929205.78.114.350728.144.895222)
(557.11366425.1005.78.1126.5929205.78.1114.350728.1144.8952147.4972222321321211
1
132103*********
00m N h h h F h h F h F M m N h h h h F h h h F h h F h F M w w ⋅=⎪⎭⎫ ⎝
⎛
++⨯+⎪⎭⎫ ⎝⎛+⨯+⨯
=⎪⎭⎫ ⎝
⎛+++⎪⎭⎫ ⎝⎛
++=⋅=⎪
⎭
⎫ ⎝⎛
+++⨯+⎪
⎭⎫ ⎝⎛++⨯+⎪⎭⎫ ⎝⎛+⨯+⨯=⎪⎭⎫ ⎝
⎛++++⎪⎭⎫ ⎝⎛
+++⎪⎭⎫ ⎝⎛++=--
)(567.8529225.1005.726.5929205.714.35072232322
2
2m N h h F h F M w ⋅=⎪⎭⎫ ⎝
⎛
+⨯+⨯
=⎪⎭⎫ ⎝
⎛
++=- 4.2.3 地震载荷
地震以波的形式向四周传播破坏，对建筑物来说，以水平振动危害较大。

（1）作用在单质点上的水平地震力
mg c F α=
式中：c —形状系数，对钢制圆形容器c=0.5 α—地震影响系数
表6[1]对应于设防烈度max α值
设防烈度 7
8
9 误计基本地震加速度 0.1g 0.15g 0.2g 0.3g 0.4g 地震影响系数最大值max α
0.08
0.12
0.16
0.24
0.32
根据设计地震烈度为6级，查表5得08.0max =α
图1
塔的自振周期T=0.60s ，按二类场地，查图1，得系数0.5 故：04.008.05.05.0max =⨯==αα （2）多质点弹性体系的水平地震力
全塔质量不集中于一点，将塔分成几段，求作用在质点K （K 段）的震力（由K 段振型系数校正，它包括了各i 段对K 段的影响）。

g m c F k k k αη=
c —结构系数 α—地震系数 ηk —K 段振幅系数
水平地震力计算简图[1]
mm
mm m k 1
31
5
.15
.1段质心距地高度，的作用点距地面高度，段质量i h K h m h
m h
h i k n
i i
i
n
i i
i
k
k --=
∑∑==η
（3）地震弯矩
截面i-I 的震矩为自i 以上至n 各段震力对其力矩之和
()∑='
--=n
K k k i i E
h h F M 1
因为设计的塔设备是等直径等壁厚的，所以
⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛+-⋅='
-12343543430h h H H H m c M i i E
α 又因为55
.120>=i D H 为柔性结构
所以i i E
i
i E
M M '
--=25.1
()
m N H H m c M E
⋅=⎪⎪⎭⎫
⎝⎛⨯⨯⨯⨯=⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛⋅='
-3.624214202037452804.05.0354354343000α ()m N M E ⋅=⨯=-625.780263.6242125.10
0 ()
m N h h H H H m c M E
⋅=⎪⎪⎭⎫
⎝⎛+⨯-⨯⨯⨯⨯=⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛+-⋅='
-89.6658212131204202037452804.05.03512343543434343011α ()m N M E ⋅=⨯=-61.8322889.6658225.11
1 ()
m N h h H H H m c M E
⋅=⎪⎪⎭⎫
⎝⎛+⨯-⨯⨯⨯⨯=⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛+-⋅='
-34.50777128.238.2204202037452804.05.03512343543434343022α ()m N M E
⋅=⨯=-7.6347134.5077725.12
2
（4）最大弯矩在筒体内引起的轴向应力
⎪⎩⎪⎨⎧+++=---e
i
i W i i E e i
i W M M M M M M 25.0)
(max 偏心矩
()
()
()
m N M M M M m N M M M M m N M M M M e
W E e
W E e
W E ⋅=⨯+=++=⋅=⨯+=++=⋅=⨯+=++=---------842.84794567.8529225.07.6347125.0606.108999983.10308325.061.8322825.0764.106442557.11366425.0625.7802625.0222222max 111111max 000000max
表7 各危险段最大弯矩
0-0 1-1 2-2 M W 113664.557 103083.983 85292.567 M E 78026.625 83228.61 63471.7 M max
106442.764
108999.606
84794.842
五、各载产生的轴向应力
5.1 设计压力产生的轴向应力
)(75.2110
41500
58.041MPa PD n i =⨯⨯==
δσ 5.2 操作重量产生轴向压应力
)(95.701
.05.114.3374528
00
02MPa D g m n i =⨯⨯==
-δπσ ()
())
(09.001.012.0201.045.0214.302.05.12211m l d n D S i =⨯⨯-⨯⨯-⨯⨯=--=-δδδπ n-人孔个数；d-人孔直径；l-短管长度，l=120mm
)(16.409
.03745281
101
12Mpa S g m ===--σ 取MPa 03.62
22112002≈≈≈---σσσ
5.3 最大弯矩产生的轴向应力
同样的弯矩作用于不同的杆件会产生不同的结果，这说明弯曲还与杆的横截面的面积、形状及方向有关。

)(0.6)(5.602648301.05.1785.0764
.1064424
2
200max 0000003
MPa Pa D M W M n i ==⨯⨯=±==----δπσ
)(0143.0245.025.112.001.02201.05.145.0201.05.1785.022224322222211m d D l dD n D W i i i =⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯-⨯⨯⨯-⨯⨯=⎥⎥
⎦
⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫
⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛--=-δδδπ
)(8.401.05.1785.0842.847944)
(6.70143.0606.1089992
22max 2222max 2
231111max 113
MPa D M W M MPa W M n i =⨯⨯======-------δπσσ 表8 危险截面轴向应力计算值 （单位：MPa ）
0-0 1-1 2-2 备注 n
i
PD δσ41= 21.75
21.75
21.75
内应力
A g
m 02=
σ 6.03 6.03 6.03 重载力 W
M =3σ
6.0
7.6
4.8
弯矩力
六、按组合轴向应力验算塔体和裙座壁厚
6.1 按轴向拉应力验算筒体壁厚
取筒体危险截面2-2，其拉应力强度条件：[]ϕσσσσσt
≤+-=----2
2322222122max
左边：)(98.228.403.675.21MPa =-+ 右边：)(4.908.0113MPa =⨯ 左边<右边，故满足条件。

6.2 按组合轴向压应力验算筒体和裙座壁厚
（1）验算筒体危险截面2-2的组合轴向压应力，其强度和稳定条件为
[]取小⎪⎩
⎪⎨⎧≤+=---R E
n t
δσσσσ06.0223
22222max 左边：)(83.108.403.6MPa =+
右边：许用应力为113MPa,而)(1201
01
.020000006.0MPa =⨯⨯ 因为10.83<113，所以满足条件。

（2）验算裙座危险截面1-1轴向压应
[]取小⎪⎩
⎪⎨⎧≤+--R E
n t δσσσ06.01
13112
所以满足条件。

（3） 0-0截面验算
[]取小⎪⎩
⎪⎨⎧≤+--R E
n t
δσσσ06.00
03
002 11313.121.603.6=<=+=右边左边
所以满足条件。

6.3 验算水压试验应力
6.3.1 强度验算 （1）环向拉应力
()[]()()[]()mm C mm C C C C MPa C C D P n n i 8.0;1;)(34.838
.00018.001.020018.001.05.125.158.022121==+==⨯-⨯-+⨯⨯=
--+=
其中：水水ϕ
δδσ
因为5.2119.02359.0=⨯=⨯<s σσ水 所以满足条件。

（2）最大组合轴向拉应力
11363.136.703.6=<=+=右边左边
)(1698.09.0235)(8.2601
.05.1785.0567
.852923.001.05.114.3842.8479401.045.11025.158.09.0785.03.0425.1262
2
222max 321max MPa MPa D M M D gm PD s i e
W n i i =⨯⨯==⨯⨯⨯+⨯⨯-⨯⨯⨯⨯=≤++-=+-=--右边左边ϕσδ
δπδσσσσ
因为ϕσσs 9.0max < 所以满足条件。

（3）塔充水后（未加压）最大质量和最大弯矩在壳体中引起的组合轴向压应力
取小⎪⎩
⎪
⎨⎧≤++=--i n s
i e W
R
E D M M n Di g δσδδπσ06.08.0785.03.02
222
2max
max MPa
R E
MPa MPa i
n
s 12006.00(1882358.08.0)
(2.301
.05.1785.0567
.852923.001.05.114.3842.847942==⨯===⨯⨯⨯+⨯⨯=δσ右边左边 因为i
n
R E δσ06.0max <
所以满足要求。

七、基础环设计
7.1 选取基环直径
（1）外径 )(182030020150030020mm D D n i b =++=++=δ （2）内径 )(12203002015003002mm D D n i bi =-+=-+=δ
7.2 基础环厚度计算
（1）无筋板时 []b b b b b W
M σδσσ≤⋅==6
22
2
m a x 即[]C b b
b b +=
σσδmax
23
()()取大水试时操作时⎪⎪⎩⎪⎪
⎨⎧+++=--b e W b
b
b b W M M A g m W M A g m 0
0max 0
0max
0max
3.0σ ()
)(4.002
.21042.102.2106442
42
.102.2785.0374528442
2max MPa b =⨯-+-⨯=
操作σ ()
)(38.002
.21042.102.2557
.1136643.042.1-02.2785.0527778442
2max MPa b =⨯-⨯+=
水试σ
取MPa b 4.0max =σ
表9[1] 混凝土设计表
混凝土标号 100 150 200 250 300 轴心抗压a R MPa 5.5
8.5
11
14.5
17.5
查混凝土设计表，为使a b R ≤max σ，取MPa R a 5.5=得100号混凝土。

(2)有筋板时，可增加裙座底部刚性，减薄厚度。

[]C M b
g
b +=
σδ6
Mg —计算力矩。

2max b M b g σ⨯=系数
()[]()[])(15.001.028.112.22
1221
00m D D b n i b =⨯+-=+-=
δ 取1,150===l b mm b l 则
表10[1] 矩形板力矩计算表
l
b
2
max 0b y b x M b x σ⨯⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛== 2
max 00l y x M b y σ⨯⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛== 0.8 -0.173 0.0751 0.9 -0.142 0.0872 1.0 -0.118 0.0972 1.1
-0.0995
0.1005
查表9，得2max 2max 0972.0;118.0l M b M b y b x σσ=⋅-=
)(106215.0104.0118.026m N M M x g ⋅=⨯⨯⨯==
[])(0075.010*******
666
m M b
g
b =⨯⨯=
=
σδ
考虑附加量C=2mm 取)(105.925.7mm b ≈=+=δ
八、地脚螺栓直径的计算
8.1 底座环上最大拉应力（由螺栓承担）：
取大⎪⎪⎩
⎪⎪
⎨⎧-++-+=---b b e W E b b
e
W B A g m W M M M A g m W M M 00
00
0min 0
025.0σ ()
)(075.042.102.2785.017452802
.21042.102.2557.1136642244MPa B =-⨯-⨯-=
风σ
)(17.002
.21042.102.2557
.11366425.0625.780264
4MPa B =⨯-⨯+=
地σ 故取MPa B 17.0=σ，选螺栓()根2874=⨯=n
[](
)
)
(13003.0150
2814.342
.102.2785.017.0442
24
1m m c n A d bt
B
B =+⨯⨯-⨯⨯⨯=
+⋅⋅=σπσ
对底碳钢取[]MPa bt 150=σ
九、焊缝结构设计
裙座与筒体的连接焊缝采用对接焊。

结 论
设计工作地点在济南的吸收塔，塔高20m，塔径1500mm，工作压力0.5MPa,抗震烈度为6级。

通过对这吸收塔塔体和群座的设计，可以得出一下结论：
(1)根据工作压力和工作介质的要求选用Q235-A的材料。

(2)吸收塔的壁厚可选用10mm，封头选用10mm厚的椭圆形标准封头。

(3)根据轴向拉应力验算筒体壁厚和根据压应力验算筒体和裙座壁厚都满足设计要求。

(4)吸收塔水压验算测试满足设计要求。

济南大学课程设计
参考文献[1] 谭蔚主编.化工设备设计基础[M].天津大学出版社,2007。