洗涤塔的设计洗涤塔的设计 第,,卷第,期 化工设备与管道 ,,,(,, ,,(, ,,,,年,,月 ,,,,,,, ,,,，,,,,,,,，,，,, ,,,(,,,, 洗涤塔的设计 吴琳， 刘吉祥 (东华工程科技股份有限公司，合肥,,,,,,) 摘要:介绍了煤气化装置中洗涤塔的设计，着重叙述了设备的工艺功能、结构确定、材料选择、强度计算以及锥形 封头结构优化设计等内容，可为同类设备的设计提供参考。 关键词:洗涤塔;锥形封头;有限元;设计 中图分类号:,, ,,,(, 文献标识码:, 文章编号:,,,,?,,,,(,,,,),...
洗涤塔的设计 第,,卷第,期 化工设备与管道 ,,,(,, ,,(, ,,,,年,,月 ,,,,,,, ,,,，,,,,,,,，,，,, ,,,(,,,, 洗涤塔的设计 吴琳， 刘吉祥 (东华工程科技股份有限公司，合肥,,,,,,) 摘要:介绍了煤气化装置中洗涤塔的设计，着重叙述了设备的工艺功能、结构确定、材料选择、强度计算以及锥形 封头结构优化设计等内容，可为同类设备的设计提供参考。 关键词:洗涤塔;锥形封头;有限元;设计 中图分类号:,, ,,,(, 文献标识码:, 文章编号:,,,,?,,,,(,,,,),,,,,,,,,, ,,,,,, ,, ,,,,,,, ,,,,,, ,, ,,,(,，, ,,,,,,,, (,,,, ,,,,, ,,,,,,,,,,, ,;,,,;,,,,;,,,,,,, ,,(，删，,,,,, ,,,,,,，,,,,,),,,,,,;,:，, ,,,, ,,,,;,,，,,, ,,,,,, ,, ,,,,,,, ;,,,,, ,,,, ,, ;,,, ,,,,,,;,,,,, ,,,,, ,,, ,,,,,,,;,,(,,, ,,,;,,, ,,,;,,, ,,, ,—？,,,,,,,，,,, ,,,,,,,,,,,,, ,, ,, , ,,, ,,,,;,,,,，,,, ,,,,;,,,, ,, ,,, ,,,,,,,,,，,,, ;,,;,,,,,,, ,, ,,, ,,,,,,,, ,,, ,,, ,,,,,,, ,,,,,, ,,,,, ;,,,;,, ,,,, ,,,, ,,,,,,,;,,,, ,,,;,,,,,，,,,;, ;,, ,, ,,,,,,,;,, ,, ,,, ,,,,,, ,, ,,, ,,,,, ,,,, ,？,,,,,,,(,,,,,,,,:,,,,,,, ;,,,,,;;,,,;,, ,,,,;,,,,,, ,,,,,,,;,,,,,, 水煤浆气化工段在以煤为原料，生产合成氨或 ,设计参数甲醇工艺装置项目中存在广泛的应用，洗涤塔和水煤浆气化炉同时被称为水煤浆气化工段中的关键设 洗涤塔的设计温度、压力和介质工况等参数为:备，对装置生产的安全性和产出的煤气产品的品质 设计压力,。,(,, ,,,起着关键作用。 设计温度, ,,,? 工作介质 工艺气、加热灰水、工艺冷凝液, 设备结构 ,,,,,, 设备内径, 洗涤塔的结构如图,所示，根据洗涤塔的工艺 , 材料选择及结构设计作用，洗涤塔由下段的气液接触区、中段的洗涤区和上段的气固、气液分离区等组成。 ,(, 材料选择 来自文丘里洗涤器洗涤后的粗煤气从洗涤塔中 洗涤塔的使用工况为设计压力,(,, ,,,、设计部进入洗涤塔，通过洗涤塔下段的中心下降管和中 温度,,, ,,、介质具有临氢、气固液三相并存且腐蚀 性较强的特点，设计工况较为恶劣。按照容器的使心升气管，形成下段的气液接触区间，煤气从环隙上 用条件(,，,，介质特性)、材料的焊接性能、容器的升，与洗涤塔下部的气化灰水接触与混合，在此段气 制造工艺及经济合理性的选材原则，洗涤塔可以用体中的湿灰粒沉降到下部的灰水中。 高强钢如,,,,,,,,,,,，低合金钢如,,,, ,,,,,— 煤气继续上升，进入洗涤塔中部的筛板塔塔板， ,,材料，耐腐蚀层可用,,,、,,,等不锈钢材料。同用来自变换工艺热冷凝液将煤气再次进行洗涤，粗 时需要仔细考虑洗涤塔壁厚对制造厂卷板能力的要求、煤气中夹带的细灰将溶入水中，气体进,步得到 材料热处理难易程度要求等制造因素、基层材料与净化。 耐蚀层材料复合情况等。本案例综合上述因素以及 经过塔板洗涤后的煤气上升至洗涤塔上段的旋 案例工程的工艺包供应商的要求，洗涤塔材料选取流板和斜板 除沫器，用来分离气体中的灰分和液态水。 收稿日期:,,,,,,,(,,:修回日期:,,,,—,,,,, 洗涤后的气体基本上成为干净的合成气，送到 作者简介:吴琳(,,,，一)，女，安徽安庆人，硕士，工程师。从事石油 化工装置的设计工作。后续的变换工段，从而完成洗涤和净化作用。万方数据 ?,,? 化工设备与管道 第,,卷第,期 ,,,,,,,,钢板，耐腐蚀层选用,,,,。在该温度下 ,,,,,,,,的许用应力〔盯〕‘为,,,(, ,,,。 ,(,壁厚计算 由于,。,,(,,,,(,〔,,〕‘咖，得,计,,,(,, ,(,(, 简体壁厚 根据,, ,,,—,,,,《钢制能承受压力的容器》中的圆筒 体壁厚计算公式，计算得到简体壁厚为:,,,,(, ,,;简体壁厚实际取:,,,, ,,。 ,(,(,下封头壁厚 为满足工艺需求，洗涤塔下封头需要采用锥 形封头。锥形封头包括无折边锥形封头和有折边锥 形封头。 下面就以上设计参数分别探讨该两种结构。 (,)有折边锥形封头设计(见图,) ,, 图,有折边锥形封头 根据文献〔,〕可知折边锥形封头只需计算与过 渡段相连接处锥壳厚度。根据,, ,,,,,,,,,中该 锥壳厚度计算公式，查,, ,,,一,,,,中表,(,可知 系数,,,(,,, ,。由此可计算出锥壳计算厚度为, ,,,(, ,,。考虑到钢板厚度负偏差，取锥壳厚度 为,,,, ,,。 (,)无折边锥形封头设计(见图,) 图,无折边锥形封头 根据,, , ,,,,,,,,中该锥壳厚度计算公式，查 ,, ,,,,,,,,,中图,,,,能确定该锥壳在连接处 不需要加强。因此该锥壳大端的计算厚度为,: ,,(, ,,，考虑到钢板厚度负偏差，取锥壳厚度为, 图,洗涤塔的结构示意 ,,,, ,,。万方数据 ,,,,年,,月 吴琳，等(洗涤塔的设计 ?,,? 折边锥封和有折边锥封这两种型式的封头分别取路,结构优化 径,(,和,,,进行应力分析评定如表,、表,。 由以上设计过程能够准确的看出，本设备设计难点在 表, 无折边锥封应力分析评定于锥形封头形式的选取。在制造加工中，如果采用有折边结构，能改善封头边缘的应力状态，但是增加了制造厂翻边的难度;如果采用无折边结构，使用常规设计会导致用材耗量增加，牺牲了经济性。 随着有限元技术的应用和大型,,,,,应力分析软件的推广，采用应力分析手段进行设备结构优化成为可能。下面通过有限元分析技术，对洗涤塔下封头壁厚来优化设计，寻求安全可靠和经济可 由以上应力分析评定能够准确的看出有、无折边锥形行的方案。 封头的一次局部薄膜应力和一次加二次应力相差不,(,有限元分析 大，但是如果采用常规设计，计算出的有、无折边锥 锥形封头由于结构不连续，其应力分布并不理想。 形封头厚度明显较厚。下面将两种锥形封头都取与简体等壁厚，建立二维轴 同时有折边锥形封头的加工难度远大于无折对称模型并划分网格，确定好边界条件以及加载后，通 边锥形封头，因此推荐采用有限元应力分析技术的过,,,,,有限元分析程序得出等效应力分布云图(见 结果，来优化洗涤塔下部封头的设计，选用无折边锥图,，,)，从中可以直观看出两种结构应力分布状况。 形封头结构。 ,结构优化结果 通过以上常规设计并结合,,,,,应力分析的 结果能得知，对于不必考虑峰值应力的设备，采用 无折边锥封可完全保证设备运行的安全，同时还 可以大幅度降造难度，减少钢材用量，对于本台设 备的锥封采用,, ,,厚的无折边锥封比常规设计 计算的,,, ,,厚减少了,,,的钢板用量，大大节 图,无折边锥封应力云图 约了设备的制造成本。 有限单元法计算精度高，能较真实地反应该结 构的应力分布状况， 并按照文献〔,〕进行强度评定， 可以大范围的应用于类似结构的设计计算和强度校核。 符号说明 卜计算厚度，,,; ,——圆筒或球壳的内直径，,,,,; 以——计算压力，,,,; 〔盯〕。——设计温度下材料的许用应力，,,,; 图,有折边锥封应力云图 西——焊接接头系数，本文取值为,; (厂,系数，见文献‘?表,,,;,(, 应力评定 ,——半锥顶角，(。); 由上面两张应力分布云图可以明显看出无折边 ,。——次局部薄膜应力强度，,,,;锥封峰值应力远大于有折边锥形封头峰值应力。 ,。。——一次加二次应力强度，,,,; 但是洗涤塔是属于拥有非常良好塑性材料制造的钢 ,。——材料的设计应力强度，,,,;制容器，荷载主要是静载荷问题，不必考虑可能会引起 卜载荷组合系数，见文献一,表,,,。疲劳裂纹或脆性裂纹的峰值应力。因此只要评定 参考文献局部薄膜应力,。和一次加二次应力,,。根据文献 〔,〕朱瑞林，郑津洋，朱国辉，等(关于折边锥形封头设计问题的研〔,〕，,。的许用极限为,(,,,。，,。。的许用极限为 究〔,〕(化工机械，,,,,(,,(,):,,,,,(,,。，查表,—,可得,,,，,。,,,,(, ,,,。对于无 〔,〕,, ,,,,,,,,,,，钢制能承受压力的容器——分析设计标准〔,〕( 万方数据
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