50万吨-年 常减压及氧化沥青装置 常压塔设计 2000X49106X16(含图纸).pdf

过程设备综合设计计算说明书 一、设计任务一、设计任务 1. 结构设计任务结构设计任务 完成原油分馏塔的总体结构设计， 绘图工作量折合a1图共计4.25张左右， 具体包括以下内容： 原油分馏塔总图 1 张 a0 加长； 原油分馏塔塔盘装配及零部件图 2 张 a1。 2. 设计计算内容设计计算内容 完成原油分馏塔设计计算说明书， 主要包括原油分馏塔主要受压元件的壁 厚计算及相应的强度校核、稳定性校核等内容。 二、设计条件二、设计条件 1. 塔体内径 di=2000mm，塔高 h=49106mm； 2. 设计压力 p=0.42mpa，设计温度 t=390； 3. 设置地区：山东省东营市，基本风压值 q0=480pa，地震设防烈度 8 度，场 地土类别 iii 类； 4. 塔内装有 n=50 层浮阀塔盘；开有人孔 11 个，在人孔处安装半圆形平台 11 个，平台宽度 b=900mm，高度为 1200mm； 5. 塔外保温层厚度为s=140mm，保温层密度2=350kg/m3； 有关其他的工艺尺寸见常压塔简图。 1 一、 概述 一、 概述 石油分馏的工艺过程包括原油加工前的预处理、初镏、常压分馏和减压分馏。本次课 程设计为常压分馏部分。用泵将从初馏塔底得到的拔顶油送入加热炉中加热到 360 370 后，再送入常压分馏塔中。经分馏，在塔顶可得到低沸点汽油馏分，经冷凝和冷 却到 30 40 时，一部分作为塔顶回流液，另一部分作为汽油产品。此外，还设有 12 个中段回流。在常压塔中一般有 34 个侧线，分别馏出煤油、轻柴油。侧线产品是 按人们的不同需要而取的不同沸点范围的产品，在不同的流程中并不相同。有的侧线产 品仅为煤油和轻柴油，而重油为塔底产品；有的侧线为煤油、轻柴油和重柴油，而塔底 产品为常压渣油。 二、设计条件 二、设计条件 1. 塔体内径 di=2000mm，塔高 h=49106mm； 2. 设计压力 p=0.24+0.18=0.42mpa，设计温度 t=375+15=390； 3. 设置地区： 山东省东营市， 基本风压值 q0=480pa， 地震设防烈度 8 度， 场地土类别 iii 类； 4. 塔内装有 n=50 层浮阀塔盘；开有人孔 11 个，在人孔处安装半圆形平台 11 个，平台 宽度 b=900mm，高度为 1200mm； 5. 塔外保温层厚度为s=140mm，保温层密度2=350kg/m 3； 有关其他的工艺尺寸见常压塔简图。 三、设备强度及稳定性校核计算 三、设备强度及稳定性校核计算 1. 选材说明 选材说明 根据工艺条件以及介质性质的要求，本设计为石油分馏工艺的常压分馏阶段，其 设计压力pd =0.42mpa ，设计温度为 td 390=，分馏介质为含酸含硫的原油，考 虑经过初馏等阶段，且存在液柱静压力和腐蚀，因此筒体的上部采用 20r，中下部可 采用复合钢板，内筒采用具有较强抗腐蚀能力的 316l 不锈钢（00cr17ni14mo2） ，外 筒采用 20r。其各段性质如下表： 性 质 名 称 常温下许用应力/mpa/mpa t 设计温度下许用应力/mpa/mpa 20r 133 80.4 2 316l （00cr17ni14mo2） 118 89 q235b 113 2. 主要受压元件壁厚计算 主要受压元件壁厚计算 1 0 .4 22 0 0 0 6 .1 6 m m 20 .8 58 0 .40 .4 2 2 ci t c p d p = （ ） 第 一 段 筒 体 ： 0 .4 22 0 0 01 6 .1 6 m m 20 .8 58 0 .40 .4 20 .5 2 k 0 .5 ci t c p d p = 封 头 ： 2 0 .4 22 0 0 0 6 .1 6 m m 20 .8 58 0 .40 .4 2 2 ci t c p d p = （） 第 二 段 筒 体 ： 3 0 .4 22 0 0 0 6 .1 6 m m 20 .8 58 0 .40 .4 2 2 ci t c p d p = （ ） 第 三 段 筒 体 ： 0 .4 22 0 0 01 6 .1 6 m m 20 .8 58 0 .40 .4 20 .5 2 k 0 .5 ci t c p d p = 封 头 ： 但在实际生产过程中，由于存在塔板上热和质的交换，故随着高度，塔内压力逐渐 降低，塔顶压力最低，塔底加之液体静液柱压力，气压力最高；中间段居中。 综上述，将装置分为三段：第一段（标记尺寸为 12400mm）筒体采用 20r，包括上封 头和裙座短节，厚度为 16mm；第二段（标记尺寸为 16500mm）和第三段（标记尺寸为 12000mm）筒体（包括封头）采用 20r+316l 复合钢板，包括下封头，厚度分别为（16+3） mm，(20+3)mm；对于裙座，不与塔内介质接触，也不承受塔内的压力，故不受压力容器 用材的限制，宜选用较经济的普通碳素结构钢，采用 q235b,厚度根据经验取 22mm。 项 目 段 号 材 料 长 度 （mm） 名义厚度 （mm） 第一段 20r 12400 20r 12400 16 n 3 第二段 20r+316l 16500 20r+316l 16500 16+3 第三段 20r+316l 12000 20+3 3. 原油分馏塔质量载荷的计算 3. 原油分馏塔质量载荷的计算 【注】塔内构件浮阀塔盘的质量每 m 2质量为 75kg 计算 平台质量按每 m 2为 150kg 计算 笼式扶梯质量按每 m 为 40kg 计算 段 号 质 量 kg 1 2 3 4 5 mm a + 01 1466.4 9384.6 14849.7 16302.3 1466.4 9384.6 14849.7 16302.3 12251.4 m02 0 0 1413.7 6126.1 0 0 1413.7 6126.1 4241.2 m03 0 0 4146.0 5532.1 0 0 4146.0 5532.1 4038.1 m04 400 2560 2628.8 3525.1 400 2560 2628.8 3525.1 3361.1 m05 0 900.6 1759.3 6534.5 0 900.6 1759.3 6534.5 4523.9 mw 476.2 3048 37699.1 51836.3 476.2 3048 37699.1 51836.3 38955.7 m0 1866.4 12845.2 24797.5 38020.1 1866.4 12845.2 24797.5 38020.1 28415.7 mmax 2342.6 14992.6 60737.3 83321.9 2342.6 14992.6 60737.3 83321.9 62847.5 mmin 1866.4 11944.6 21907.2 26584.7 20498.8 塔壳和裙座质量 =10851.0+11879.8+13041.8+9801.1=45573.7kg 附属件质量 = 0.25 =11393.4kg 内构件质量 =2 25075/411781.0kg 保温层质量 =(2+20.016+20.14) 2-(2+20.016)212.4+(2+2 0.019+20.14) 2-(2+20.019)216.5+(2+2 0.023+20.14) 2-(2+20.023)212350/4 =13716.2kg 平台、扶梯质量（笼式扶梯单位质量 40kg/m） =12475.0kg m01 ma m02 m04 m 筒03 m01 4 物料质量 =900.6+1759.3+6534.5+4523.9=13718.3kg 水压试验时水的质量 =3333.5+37699.1+38955.7+51836.3=132015.1kg 塔器操作质量 = + + + + + =14711.6+24797.5+38020.1+28415.7=105944.9kg 塔器最大质量 = + + + + + =17335+60737.3+83321.9+62847.5=224241.7kg 塔器最小质量 = + 0.2 + + + =13811+21907.2+26584.7+20498.8=82801.7kg 4. 风载荷与风弯矩的计算 风载荷与风弯矩的计算 风压沿塔高分若干段，一般每隔 10m 分成一段，同一段取相同的风压值，且均匀分布 在设备的迎风面上，任一段风载可认为是集中在该段终点上的风压力合力，任意第 i 段 承受的水平风力用公式 dl qf kk p eii i ii i0 2 =计算， 式中：dei为迎风面的有效直径， f i 为风压高度变化系数，q 0 为基本风压值，li为计算段高度，k i 为体型系数，k i2 为 计算段的风振系数。将塔分为 6 段。如图示其中 0-0 为裙座底部的计算截面，1-1 为裙座 人孔的 计算截面，2-2，3-3 为焊缝，是筒体的可能危险截面. 以 4-5 段为例计算风载。 dl qf kk p ei44 04 24 4 = 式中，q0=480pa，f4=1.5，l4=16500mm，ki=0.7， ， 可将塔设备作为等直径等厚度的理想塔 体，其第一自振周期 。 m=105944.9/49.091=2158.2kg/m,h=49.091m,e=200gpa. i=d 3 ie/8=2 30.019/8=0.06m4，故 对 b 类地面粗糙度，q1=q0=480pa，则 q1t1 2=4801.832=1606.4ns2/m2， 查表有=2.69，v4=0.84，相对高度 h4t/h=36/49.091=0.73，为第一振型， m05 mw m0 mmax mmin mm a + 01m02 m03m04m05 me mm a + 01m02m03m04m emw mm a + 01mem 04m03 m02 f v z 4 4 4 1k24 += ei mh t 4 1 79.1= s83.11.79t1 10206.0 091.492.2158 11 4 = 5 故z4=0.65.则1 . 2 5 . 1 73. 084. 069. 2 1k24 += de4=d04+2s3+k3+k4+d0+2pi=2000+2（16+3）+1402+400+41200+2737791mm 故 p4=0.72.11.548016.57.791136058.91n 同样方法求得各段的风载荷如下表： 段 号 项 目 1 2 3 4 5 6 塔段长度 m 01 16.4 6.47.247.219.419.435.9 01 16.4 6.47.247.219.419.435.9 35.949 ki 0.7 2.69 vi 0.720 0.720 0.720 0.786 0.838 0.720 0.720 0.720 0.786 0.838 0.865 zi 0.020 0.032 0.039 0.226 0.653 0.020 0.032 0.039 0.226 0.653 1.000 fi 1.000 1.000 1.000 1.237 1.503 1.000 1.000 1.000 1.237 1.503 1.520 1.039 1.062 1.076 1.386 2.100 1.039 1.062 1.076 1.386 2.100 2.531 q0/pa 480 li/m 1.000 5.400 0.840 12.200 16.500 1.000 5.400 0.840 12.200 16.500 13.100 dei/m 3.917 3.217 3.017 6.799 7.791 3.917 3.217 3.017 6.799 7.791 7.785 pi/n 1367.44 6198.81 916.23 38628.46 136058.91 86728.40 顺风向风弯矩： f v i zi i += 1 k2i ) 2 () 2 () 2 ( 2 1 2 1 2 1 1 l ll p l ll p l l p l p m n ii n i ii i i i i i i ii w + + += + + + + + + 6 0-0 截面风弯矩 1-1 截面风弯矩 2-2 截面风弯矩 3-3 截面风弯矩 5. 地震弯矩计算 地震弯矩计算 发生破坏性地震时，在地震载荷作用下塔设备作为悬臂梁也会弯曲变形，故安装 在七度及以上地震烈度时必须考虑其抗震能力。只有当地震烈度为八度以上时方考虑纵 向震动。根据设计条件，只考虑水平地震力。 )41410( 175 8 5 . 35 . 25 . 3 5 . 2 1 hhh h m h mg ii ei += 式中，1对应与塔器基本固有周期 t1的地震影响系数。 查表有，塔设备变形为第一组，场地土地类型为类时，特性周期 tg=0.45s mn03.6852198 2 .62 .1684. 04 . 514 .86728 25. 81284.04 .5191.136058684.04 .5146.38628 42. 04 .5123.9167 . 2181.61985 . 044.1367 00 + + += ）（ ）（）（ ）（）（ mw mn50.6582983 2 .62 .1684.04 .54 .86728 25.81284.04 .591.136058684.04 .546.38628 42.04 .523.9167 .281.6198 11 + + += ）（ ）（）（ ）（ mw mn91.5149653 2 . 62 .1684. 04 .86728 25. 81284. 091.136058684. 046.3862842. 023.916 22 + += ）（ ）（）（ mw mn85.3929679 2 . 62 .164 .8672825. 81291.136058646.38628 33 += ）（）（ mw max 2 = t tg max 2 7 已知 t1=1.83s，即 tgt15tg ，则 地震弯矩 0-0 截面地震弯矩 = hm mg ei1 00 35 16 23731.66 nm 因设备高度大于 20m，须考虑高振型的影响。 1.25 1.2523731.6629664.6 nm 1-1 截面地震弯矩 = mei 11 23053.62nm 28817.0 nm 2-2 截面地震弯矩 19399.80 nm 24249.7 nm 3-3-截面地震弯矩 18807.47 nm 23509.3 nm 6.最大弯矩 最大弯矩 偏保守的认为各种弯矩都同时出现且位于设备的同一方向，在工程应用中，计算截 面处： mw+me mmax= me+0.25mw+me 两者取较大值 ,水压试验时， 取最大弯矩为 0.3mw+me . max 45. 0 max 12 )5( 2 . 0tg t= 05.016.032.1 83.1 45.0 96.0 1 = = me 00 = mei 00 = me 11 = mei 22 = me 22 = mei 33 = me 22 8 0-0 截面 正常或停工检修时 6852198.03 nm = 取 =6852198.03 nm 29664.6+0.256852198.031742714.1 nm 水压试验时 =0.36852198.032055659.41 nm 1-1 截面 正常或停工检修时 6582983.50 nm 28817.0+0.256582983.50=1674562.9 nm 取 =6582983.50 nm 水压试验时 =0.36582983.50=1974895.05 nm 2-2 截面 正常或停工检修时 5149653.91 nm 24249.7+0.255149653.91=1311663.2 nm 取 = 5149653.91 nm 水压试验时 =0.35149653.91=1544896.17 nm 3-3 截面 正常或停工检修时 4929679.85 nm 23509.3+ +0.254929679.85=1255929.3 nm 取 = 4929679.85 nm m 00 max m 00 max m 00 max = m 11 max m 11 max m 11 max = m 22 max m 22 max m 22 max = m 33 max m 33 max 9 水压试验时 = =0.34929679.85=1478903.96 nm 如下表： 如下表： 弯 矩/ / nm 截 面 正常或检修时 水压试验时 0-0 6852198.036852198.03 2055659.41 1-1 6582983.506582983.50 1974895.05 2-2 5149653.915149653.91 1544896.17 3-3 3929679.85 1478903.96 7.原油分馏塔塔体和裙座危险截面的强度与稳定校核 原油分馏塔塔体和裙座危险截面的强度与稳定校核 危险截面的位置，一般在裙座基底截面或人孔以及较大管线引出孔处。裙座按圆锥型 验算。 0-0 截面 002. 0 1000 22 094. 0094. 0 0 = ri e a ，查 gb150 图 6-4 得 b=90mpa。 圆锥半顶角=arctan () = 9 . 4 5417400 200031805 . 0 则 正常操作时 取 107.2mpa 水压试验时 cos 2 b=129.1mpa 0.9rel=0.9225202.5mpa 取 129.1mpa m 33 max mpa2 .1079 . 4902 . 1kb coscos 22 = mpa t 6 .1351132 . 1k s = mmdz esiszb 38 2 2 10 3180 747.1 4 22 4 = = mmda esissb 25 10 2.2223180= 10 故 1-1 截面 人孔 lm=250mm,bm=500mm,m=8.5mm,dim=3000mm,m0 i-i=104279kg asm=dimes-(bm+2m)es-am =300022-2(500+28.5)22-22508.5=193097mm 2 zm=2eslm(dim/2) 2-( b m/2) 20.5=222250(3000/2)2-(500/2)20.5 =1.610 7mm zsm=d 2 imes/4-(bmdimes/2- zm)= 3000 222/4-2(500300011-1.6107) =1.510 8mm 稳 定 性 校 核 ： 对q235-b ， 设 计 温 度 下 ， e=1.7 10 11pa ， p=200mpa ， 则 92 200 7 . 1 10 10 6 1122 p = = p e s ,02. 5 9 . 2 28. 72l 应力为材料的屈服极限丧失承载能力。其临界 材料屈服破坏而故裙座的失效主要是因实际柔度 p i = = mpa2 .107mpa9 .39 2 .2 8 .96 .11771 747.1 10006852198.03 9 .4cos 1 cos 1 1010 58 0 00 max = + = + a m z m sbsb g mpa1 .129mpa8 .21 2 .2 8 .9224241.7 747.1 10002055659.41 9 .4cos 1 cos 1 1010 3 .0 58 max 00 = + = + a m z m sbsb w g mpa2 .107mpa4 .49 193097 8 .9104279 1.5 1000 6582983.50 9 .4cos 1 cos 1 10 8 0max = + = + a m z m sm ii sm ii g mpa1 .129mpa6 .24 193097 8 .9222576 1.5 10001974895.05 9 .4cos 1 cos 1 10 3 .0 8 max = + = + a m z m sm ii sm ii w g 11 mpa a mpampa a 3 .75 5 . 1 113 n mpa7 .14 )/4( 2055659.41 3 .75 5 . 1 113 n 49 )/4( 6852198.03 s 22 max s 22 max 22.044 w 22.044 w = = = = 液压试验时， 操作状态下， 8.各种载荷引起的轴向应力的计算 8.各种载荷引起的轴向应力的计算 筒体应力计算及强度校核 验算塔壳-截面处的稳定和强度，如下表： 计算截面 - 塔壳有效厚度ei mm 20-4=16 计算截面以上操作质量 m0 kg 91233.3 计算截面横截面积 a=diei mm 2 100531 计算截面断面系数 z=d 2 iei /4 mm 3 5.010 7 计算截面最大弯矩 mmax nmm 3929679850 kb k t mpa 1.28096 1.285102 许用轴向拉应力=1.2 t mpa 1.2850.8586.7 操作压力引起的轴向应力1=pcdi/(4si) mpa 12.5 重力引起的轴向应力2=m0g/a mpa 8.9 mmax引起的轴向应力3=mmax/z mpa 78.6 组合压应力c=2+3cr mpa 8.9+78.6=87.496 组合拉应力t=1-2+3 mpa 12.5-8.9+78.6=82.286.7 9. 塔体水压试验和吊装时的应力校核 9. 塔体水压试验和吊装时的应力校核 = cr 许用轴向压缩应力 12 ()() () () 校核通过。 校核： 风弯矩引起的轴向应力 轴向应力液压试验时重力引起的 力试验压力引起的轴向应 液柱静压 力试验压力引起的周向应 mpa mpampa mpak mpa i mpa g mpa mpa cr s ei eii ei i t ei ei d m d m d d 1 .264 .239 .126 .15 1 803 .364 .239 .12 7 .21585. 02352 . 19 . 09 . 036 4 .23 1620002000 3929679.853 . 04 2 3 . 04 9 .12 162000 8 . 9131947 6 .15 164 20004 . 025. 1 36 142 1420004 . 025. 1 2 3 2 32 33 w 3 22 t 2 1 i t 4 p p =+=+ =+=+ =|my|,故 ms=