摘 要

近几十年来，随着工业的发展，需求的不同，各种各样的压力容器随之产生。吸附塔作为其中之一，在吸收、净化废气方面起了十分重要的作用。活性炭吸附塔在活性炭脱硫工艺、活性炭去污工艺中处于核心位置。为了提高效率，节约成本，对吸附塔的设计和优化有很大要求。本文对活性炭吸附塔进行了结构设计，强度设计。为了防止活性炭吸附塔疲劳失效，产生裂纹，对塔进行强度校核，保证塔的强度要求。最后通过ANSYS，做出了吸附塔封头和接管，封头和筒体的应力图，对吸附塔进行了疲劳分析。

关键词：活性炭吸附塔 结构设计 疲劳分析

Abstract

In recent decades, with the development of industry and different demands, a variety of pressure vessels have been produced. As one of them, adsorption tower plays an important role in absorbing and purifying waste gas. Activated carbon adsorption tower is at the core of activated carbon desulfurization process and activated carbon decontamination process. In order to improve efficiency and save cost, the design and optimization of adsorption column are very important. In this paper, the structure design and strength design of activated carbon adsorption tower were carried out. In order to prevent the active carbon adsorption tower fatigue failure, crack, the tower strength check, ensure the strength requirements of the tower. At last, through ANSYS, the strain diagram of adsorption tower head and tube body is made, and the fatigue analysis of adsorption tower is carried out.

Key words: Activated carbon adsorption tower；Structural design；Fatigue analysis

目录

摘 要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 Ⅲ

第二章 初始条件 7

2.1 计算条件 7

2.2 结构简图 7

第三章 结构设计 9

3.1 封头 9

3.2 筒体 9

3.3 外中心筒的小封头 10

3.4 外中心筒的小筒体 10

3.5 接管 10

3.6 接管法兰及垫片 13

3.7 裙座 17

3.8 地脚螺栓 18

第四章 塔的强度设计 19

4.1 塔的固有周期 19

4.2 塔的载荷分析 19

4.2.1 质量载荷 19

4.2.2 偏心载荷 20

4.2.3 风载荷 21

4.2.4 地震载荷 24

4.2.5 最大弯矩 28

第五章 塔的强度及稳定性校核 29

5.1 封头校核 29

5.2 筒体校核 29

5.3 外中心筒的小封头校核 29

5.4 外中心筒的小筒体校核 30

5.5 筒体的强度及稳定性校核 30

5.5.1 31

5.5.2 筒体的轴向稳定性校核 32

5.2.3 筒体轴向拉应力校核 33

5.6 开口补强 33

第六章 有限元应力分析 35

6.1 有限元模型 35

6.2.1 上封头与N2有限元计算结果及 36

6.2.2上封头与N11有限元计算结果及 36

6.2.3上封头与N3有限元计算结果及 37

6.2.5下封头与N7a~c有限元计算结果及 38

6.3.6下封头与N6有限元计算结果及 38

6.2.7上封头与筒体有限元计算结果及 39

6.2.8筒体与下封头有限元计算结果及 39

6.3 应力强度评定 40

第七章 经济评定 43

参考文献 45

附录一 SW6校核 47

第一章 绪论

研究背景和意义

随着工业的发展，各种各样的化工企业建立起来。但随之而来的是污染的愈发严重，对环境的破坏日益加深。工业污染的来源主要是废气、废水、废渣。而吸附塔是处理废气的有效措施之一。吸附塔最常见的是活性炭吸附塔。活性炭吸附塔能够回收利用多种有机溶剂，对于小风量高浓度的废气治理效果更为显著。因此在多个领域广泛使用，如化工、制药、食品加工、电子、造纸等。为了提高吸附塔处理废气的效率，提高吸附塔的使用寿命，吸附塔的设计和优化就显得尤为重要。

活性炭吸附塔的工作原理

含尘（其他物质）气流从进气口进入设备，与水、活性炭混合在一起。利用活性炭的吸附特性，将废气中的杂质牢牢地吸附在活性炭表面或间隙中，最后通过特定的活性炭出口将活性炭排出，从而将气体中的杂质带出，达到净化废气的作用。

国内研究现状

许艳玲，张保等人通过研究，对吸附塔进行了有限元分析，分析其应力情况，基于计算及结果进行疲劳分析，为压力容器的疲劳分析提供了一种新的思路[1]。

钱佳宁通过对变压吸附塔的整体结构、各类接管和裙座等局部结构进行必要的设计计算和详尽的有限元应力计算、分析和评定，最终确定了吸附塔整体和各种接管局部部位的结构尺寸，可为吸附塔的分析设计提供参考[2]。

吴祥，程四祥等人比较了四家PSA装置的风险情况[3]，发现吸附塔主要的疲劳失效是因为设备断裂，产生裂纹导致的。为了防止这种现象，应该从多方面去解决这种情况。

吸附塔的疲劳失效

吸附塔在实际的工艺流程中是不间断使用的。由于一直处于交变载荷的作用下，吸附塔容易出现疲劳失效。同时，吸附塔外接不连续保温支撑圈会引起严重的应力集中，引起疲劳失效，严重影响吸附塔的使用寿命[4]。

吸附塔最常见的疲劳失效的现象是裂纹。裂纹一般存在于焊缝中，但是当应力大于材料的极限时，母材也会出现裂纹。裂纹是一种十分危险的缺陷，虽然从断裂力学的角度来看，允许存在一定尺寸的裂纹。但是对于压力容器来说，当容器的内外表面存在裂纹是，容器内的介质与裂纹接触后，容易发生腐蚀。这种腐蚀现象对于压力容器来说，是非常危险的，如果没有及时的发现，很容易造成容器大面积的断裂。同时，腐蚀的扩

展速度难以掌控，所以从保守角度来讲，不允许出现裂纹。

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