太原科技大学毕业设计（论文）
目录 摘要 I 关键词 I ABSTRACT II KEYWORDS III 第1章 绪论 1
1.1课题提出的背景 ........................................................ 1 1.2课题研究的目的和意义 .................................................. 3 1.3论文研究的主要内容 .................................................... 3
第2章 焦炭塔和压力容器的简介 5
2.1焦炭塔的实际模型 ...................................................... 5 2.2焦炭塔的操作工况 ...................................................... 6 2.3焦炭塔主要失效形式 .................................................... 7 2.4压力容器的定义 ........................................................ 8 2.5压力容器的分类 ........................................................ 9 2.6压力容器的失效 ....................................................... 10 2.6.1压力容器的强度失效 ............................................... 10 2.6.2压力容器的刚度失效和失稳失效 ..................................... 12 2.6.3压力容器的泄露失效 ............................................... 12 2.7高压力容器的特点和发展趋势 ........................................... 12 2.7.1高压容器结构的基本特点 ........................................... 13 2.7.2压力容器的安全技术 ............................................... 13 2.7.3高压容器技术的发展趋势 ........................................... 14 2.8压力容器设计方法的发展 ............................................... 15 2.9本章小结 ............................................................. 17
第3章风载荷的计算与模拟 18
3.1引言 ................................................................. 18 3.2风的简介 ............................................................. 18 3.2.1风定义 ........................................................... 18 3.2.2风的成因 ......................................................... 18 3.2.3风的等级 ......................................................... 18 3.2.4风的特性以及风速功率谱 ........................................... 19 3.3风速风压的关系公式 ................................................... 22 3.4风对结构的作用 ....................................................... 24 3.5脉动风模拟理论 ....................................................... 24
3.6塔式压力容器所受风压的公式推导
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3.6.1平均风对塔器的静力作用 ........................................... 25 3.6.2脉动风对塔器的动力作用 ........................................... 26 3.7本章小结 ............................................................. 27
第4章 数值模拟分析方法 28
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4.1数值模拟技术及其实现 ................................................. 28 4.1.1数字模拟技术及方法 ............................................... 28 4.1.2有限元法的基本原理 ............................................... 28 4.1.3有限元软件的选用 ................................................. 28 4.2 ANSYS软件介绍 ....................................................... 29 4.2.1起源与应用 ....................................................... 29 4.2.2 ANSYS软件功能简介 ............................................... 29 4.2.3有限单元法简介 ................................................... 30 4.2.4 ANSYS软件分析类型 ............................................... 30 4.3 ANSYS在化工容器中的应用 ............................................. 31 4.3.1压力容器不连续区应力分析 ......................................... 31 4.3.2压力容器稳定性及极限载荷分析 ..................................... 32 4.4本章小结 ............................................................. 33
第5章 塔式压力容器模型的建立及其动力响应分析 34
5.1有限元模型的建立 ..................................................... 34 5.1.1问题描述 ......................................................... 34 5.1.2分析问题 ......................................................... 34 5.1.3有限元模型的建立 ................................................. 34 5.1.4加载和求解 ....................................................... 36 5.2模态计算结果与分析 ................................................... 36 5.3焦炭塔风载荷动力响应分析 ............................................. 38 5.3.1加载和求解 ....................................................... 39 5.3.2结果后处理及动力响应分析 ......................................... 39 5.4本章小结 ............................................................. 47
第6章 结论 48 参考文献 49 致谢 50 附录 51
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第1章 绪论
1.1课题提出的背景
随着我国由农业化向工业化进程不断的发展，石油化学工业在国民经济中将长期处于战略地位。在化工、炼油、医药等生产部门中，塔器类设备是生产装置中不可或缺的一部分。塔器作为一种操作单元，应用非常广泛，且越来越受到重视。特别是近年来，化工设备有不断向更高、更大方向发展的趋势，在整个工艺过程中，塔设备的投资比例和钢材的消耗量往往都占有很大的比重(见表1.1和表1.2)。因此，如何衡量塔器的经济性和安全性，是塔器结构设计的重点和难点。
表1.1塔器在化工生产装置中所占投资的比例
装置类别 搅拌设备 反应设备 化工和石油化工 炼油和煤化工 人造纤维 药物和制药 油脂工业 橡胶 6.15％ 2.63％ 12.19％ 33.61％ 19.58％ 15.38％ 22.91％ 13.02％ 2.30％ 30.60％ 8.99％ 12.04％ 工艺设备 换热设备 45.55％ 49.50％ 40.61％ 25.92％ 50.94％ 57.47％ 塔设备 25.39％ 34.85％ 44.90％ 9.87％ 20.49％ 15.1l％ 合计 100％ 100％ 100％ 100％ 100％ 100％ 塔器广泛应用于蒸馏、气体的洗涤、介吸（气提）、萃取、冷却等单元操作过程中。它工作原理比较简单，主要是：介质在塔器内的传递过程中，通过气(汽)一液相或液一液相之间的充分接触实现两相或多相之间的传质或传热。如何使塔器安全、经济、有效地运行，要解决以下几个方面的内容：加大传质的接触面积，提高传质效率；平衡生产能力和塔器体积之间的关系，达到最大的经济性；加强安全性管理，使塔器能够平稳有效的运行，避免故障或停车；减少塔器的能耗，保证运行的经济性；塔器结构尽可能简单，以便于制造、维修等工序；塔器的材料要耐腐蚀且不易堵塞，延长设备的使用寿命。
作为一种塔型设备，同时受到静载荷和动载荷的作用。静载荷包括：设备自重、内压、液体压力、偏心弯矩、连接管道应力、雪载荷等载荷。动力载荷包括：风载荷、地震载荷等载荷。此外还有其他形式的载荷，例如：温度应力、冲击反力等。对于高度与直径之比大于15且高度大于20m的塔设备，风载荷和地震载荷起控制作用。在以往的工程事故中，由风载荷引起的破坏少见，但所造成的破坏往往很大。
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表1.2塔器在化工生产装置中所占的质量比例
装置类别 塔器质量所占 百分比 装置类别 塔器质量所占百 分比 50万吨/年常压蒸馏 16.9% 7万吨及16万吨/ 年芳烃抽提 21.0～27.6% 250万吨/年常减压蒸馏 60万吨及120万吨/年催化裂化 11．5万吨及30万吨/年乙烯 45.5% 10万吨/年苯 38.3% 48.9% 4．5万吨/年丁二 烯 54.0% 25.0～28.3% 8万吨/年氯乙烯 33.3% 风是空气的流动，相对于地表面的空气运动,通常指它的水平分量，以风向、风速或风力表示，浅显地说就是空气从气压高的地方向气压低的地方流动而形成的，当气流遇到结构的阻塞，就形成高压气幕。风速越大，风对结构的压力也就越大，从而使结构产生大的变形和振动。风具有极大地危害性，必须得到足够的重视。可以说，世界上由于风引发的事故不在少数。
1985年7月20日13：50，兰州化学工业公司石油化工厂一正在检修的丙烯一丙烷塔突然发生风致诱导共振，塔顶挠度约lm，振动周期约2s，历经两个多小时后振动停止。该塔高59m，直径1.8m，分析结果表明这次共振并不影响该塔的继续使用。
天津乙烯生产装置中的关键设备乙烯精馏塔，高74.537m，内径2.45m，系从西班牙进口。1994年6月下旬，已处于安装阶段的后期，只待装入全部塔板，便可准备试运行。不料在23、24日下午遇到3～4级阵风，塔体发生剧烈的振动，持续时间长达3h，塔振动方向与风向垂直。用仪器测量塔顶振幅，沿风向的为15mm，而垂直于风向的为325mm，为前者的21.75倍。目测振动频率约为0.4Hz，很接近于塔的基频。分析表明这起事故是卡曼旋涡诱发的振动。
据不完全的调查，近十年来，我国吉林、山东、盘锦、兰州等地的化工厂中都曾发生大型精馏塔振动的事故，塔顶振幅最大的一次是1.4米。由于各个塔的固有频率不同，振动时的风力，有的高达八级，有的仅三、四级。持续的剧烈振动不仅无法维持生产的正常运行，还将使塔体应力过大，形成疲劳裂纹，甚至导致设备的破坏，人员的伤亡，生产的
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停顿。如果遇到更大的风力，发生高振型的振动，危害性就更大了。
安装在室外的圆柱形设备一般同时存在顺风向和横风向振动，而横风向风振往往不容忽视，甚至可能占到主导地位，比如：1972年上海一座高烟囱在台风中实测横风向位移比顺风向大得多。历史上曾因风诱发振动而造成灾难性的事故。位于美国塔珂玛海峡上跨长853米的大悬桥，在19m/s的风速下，只经历l小时，便断裂坠毁。从五十年代至今，美、英、日、德、加、荷、捷等国都曾相继发生高耸的圆柱形设备，如塔设备、烟囱、电视塔、灯柱等剧烈振动甚至破坏的事例。在大海中，障碍物在共振时受到的侧向力比空气中的要大得多。正因如此，位于美国新泽西洲的一座近海石油钻井平台葬入大海。从潜艇潜望镜里看到的目标也将因镜杆的振动变得模糊不清。从卫星拍摄的照片上还曾看到海水流经小岛时产生的卡门旋涡。架空电线的固有频率如果与卡门旋涡的频率一致，不仅发生抖动，还会发生翁呜声，就像用力拨动琴弦一般。
据有关资料显示，目前国内对此类塔设备的结构设计基本还处于静力阶段。特别对于一些超高、超规范的塔器没有完全适用的风载荷分析设计规范，只能依靠工程经验来解决，且设计中只考虑了设备的前几阶的振型，忽略了高振型的影响，抗风强度设计偏于不安全。在实际工程中，只能通过增加壁厚等手段来提高设备的安全性，增加了费用。因此，对焦炭塔进行风载荷模型有限元分析设计研究，具有十分重要的工程意义和实用价值。
1.2课题研究的目的和意义
目的：焦炭塔作为一种大型、露天放置的直立设备，同时受到静载荷和动载荷的作用。静载荷包括：设备自重、内压、液体压力、偏心弯矩、连接管道应力、雪载荷等载荷。动力载荷包括：风载荷、地震载荷等载荷。此外还有其他形式的载荷，例如：温度应力、冲击反力等。其中风载荷和地震载荷起控制作用，由于课题方向本文仅考虑风载荷的影响。按目前常规方法设计的结构，强度校核结果偏于不安全，因此有必要运用有限元时程分析法，对此类塔设备进行强度评价。本文结合焦炭塔容器工程实例，利用大型通用软件ANSYS对焦炭塔进行风加载时程分析，得到该塔器的风载荷动力响应规律。
意义：通过本文的分析计算，为焦炭塔的结构设计提供有效的依据，并对结构的优化具有一定的参考意义。
1.3论文研究的主要内容
目前国内外在高耸塔器方面已经做了大量的研究工作，而对于高塔型设备的风载荷时程分析的研究则很少有涉及。调查研究表明，按常规的设计方法，强度校核结果偏于不安
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