甲醇精馏塔的设计

甲醇精馏塔的设计化工设备设计基础课程设计00化工设备设计基础课程设计题目：甲醇精馏塔的设计年级：2011 级专业：化学工程与工艺学号：201121370116姓名：高鑫政指导老师：徐琼湖南师范大学树达学院2014 年 6 月 4 日甲醇精馏塔的设计化工设备设计基础课程设计11化工设备机械基础课程设计成绩评定栏设计任务：甲醇精馏塔的设计完成人：高鑫政 学号：201121370116评定基元 评审要素 评审内涵 满 分 评分格式规范 设计说明书是否符合 规定的格式要求 10内容完整 设计说明书是否包含 所有规定的内容 10设计方案 选材是否合理标准件选型是否符合要求 10设计说明书，40%工艺计算过 程工艺计算过程是否正确、完整和规范 10图纸规范 图纸是否符合规范、 标注清晰 10与设计吻合 图纸是否与设计计算的结果完全一致 15设计图纸， 30%图纸质量 设计图纸的整体质量的全面评价 5PPT 质量 PPT 画面清晰，重点 突出 10内容表述 答辩表述是否清楚 10答辩成绩，30%回答问题 回答问题是否正确 10100评阅人签名： 总分：评分说明：储罐设计作品的总分=（设计说明书成绩+设计图纸成绩）*0.9+ 答辩成绩塔设备设计作品的总分=设计说明书成绩+ 设计图纸成绩+ 答辩成绩甲醇精馏塔的设计化工设备设计基础课程设计22设计任务书(十六)题目：甲醇精馏塔的设计设计内容：根据给定的工艺参数设计一筛板塔，具体包括塔体、裙座材料的选择；塔体及封头的壁厚计算及其强度、稳定性校核、筒体和裙座的水压试验应力校核、裙座结构设计及强度校核；塔设备的结构设计；基础环、地脚螺栓计算等 已知工艺参数：塔体内径/mm 2000 塔高/mm 31000 计算压力/MPa 1.2设计温度/ oC 200 设置地区 长沙 地震设防烈度 8场地土类 类 设计地震分组第二组 设计基本地震加速度0.2g地面粗糙度 B 类 塔盘数 52 塔盘存留介质高度/mm100塔盘间距/mm 450 介质密度 塔釜存留介质高度/mm100半圆形平台数 平台高度/mm1000 半圆形平台宽度/mm800保温材料密度/Kg/m3315 保温层厚度/mm100 人孔间距/m 5再沸器操作质量/Kg3800 再沸器偏心距/mm2000 介质腐蚀性甲醇精馏塔的设计化工设备设计基础课程设计33设计要求：（1）计算单位一律采用国际单位，计算过程及说明应清楚；（2）所有标准件均要标记或代号；（3）对设计内容汇总，按规定的格式编写设计说明书 ；（4）设计说明书有封面、目录、封底，目录有序号、内容、页码；（5）设计说明书中数据与装配图中的数据一致；（6）装配图采用 A1 号图纸手工绘制。甲醇精馏塔的设计化工设备设计基础课程设计第 0 页0目 录第 1 章前言1.1 摘 要 .31.2 设计内容和条件 .31.3 塔体材料选择 41.4 裙座材料选择 4第 2 章塔体结构设计与计算 52.1 按计算压力计算塔体和封头厚度 .52.2 塔设备质量载荷计算 .52.2.1 筒体和裙座质量 .52.2.2 塔内件质量 .62.2.3 保温材料质量 .62.2.4 平台扶梯质量 .62.2.5 物料质量 .62.2.6 充水质量 .72.2.7 质量载荷结果汇总表 .72.3 风载荷计算 72.4 风弯矩计算 92.5 地震载荷计算 .92.6 偏心弯矩计算 .102.7 各载荷引起的轴向应力 102.8 塔体与裙座的危险截面强度、稳定性校核 112.8.1 危险截面强度校核112.8.2 裙座与塔体对接焊缝截面拉应力校核 112.8.3 对各危险截面进行稳定性校核 .122.9 塔体水压试验和吊装时的应力校核 122.10 基础环板设计 .132.10.1 基础环板内、外径 .132.10.2 基础环应力校核 .132.10.3 基础环厚度计算 .142.11 地脚螺栓计算 14第 3 章塔结构设计 163.1 塔体 .163.2 板式塔及塔盘 .163.3 塔设备附件 .163.3.1 接管 .163.3.2 除沫装置 163.3.3 吊柱 163.3.4 裙式支座 163.3.5 保温圈 17附录 18附表 1：各部件尺寸大小 .18附表 2：质量载荷结果汇总 .18甲醇精馏塔的设计化工设备设计基础课程设计第 1 页1附表 3：各载荷结果汇总 .19附表 4：风载荷计算结果汇总 .19A 主要符号说明 20参考文献21设计结果评价及总结 21甲醇精馏塔的设计化工设备设计基础课程设计第 2 页2第 1 章 前言1.1 摘 要甲醇系结构最为简单的饱和一元醇， CAS 号有 67-56-1、170082-17-4，分子量32.04，沸点 64.7。又称“木醇”或“木精” 。是无色有酒精气味易挥发的液体。有毒，误饮 510 毫升能双目失明，大量饮用会导致死亡。用于制造甲醛和农药等，并用作有机物的萃取剂和酒精的变性剂等。通常由一氧化碳与氢气反应制得。自 2002 年以来，我国甲醇市场受下游需求强力拉动，甲醇生产厂家纷纷扩产和新建，使得甲醇产能急剧增加，产量连年大幅增长。2010 年我国甲醇产能达到 3757 万吨，产量 1575 万吨，已成为世界第一大甲醇生产国。1.2 设计内容和条件 题目：甲醇精馏塔的设计设计内容：根据给定的工艺参数设计一筛板塔，具体包括塔体、裙座材料的选择；塔体及封头的壁厚计算及其强度、稳定性校核、筒体和裙座的水压试验应力校核、裙座结构设计及强度校核；塔设备的结构设计；基础环、地脚螺栓计算等已知工艺参数：塔体内径/mm 2000 塔高 31000 计算压力/MPa 1.2设计温度/ oC 200 设置地区 长沙 地震设防烈度 8场地土类 类 设计地震分组第二组 设计基本地震加速度0.2g地面粗糙度 B 类 塔盘数 52 塔盘存留介质高度/mm100塔盘间距/mm 450 介质密度 塔釜存留介质高度/mm100半圆形平台数 平台高度/mm 1000 半圆形平台宽度/mm800保温材料密度/Kg/m3315 保温层厚度/mm100 人孔间距/m 5再沸器操作质量/Kg3800 再沸器偏心距/mm2000 介质腐蚀性甲醇精馏塔的设计化工设备设计基础课程设计第 3 页31.3 塔体材料选择介质为甲醇对钢材腐蚀不大，温度在-20以上，承受一定的压力，故选用低合金钢 16MnR，它具有良好的综合力学性能和工艺性能。它是目前我国用途最广、用量最大的压力容器专用器材。型号为 16MnR。1.4 裙座材料选择Q235-A 抗拉强度比较好，A 表示在 40 度可以很好的使用，而使用地在长沙，所以裙座选取 Q235-A。甲醇精馏塔的设计化工设备设计基础课程设计第 4 页4第 2 章塔体结构设计与计算2.1 按计算压力计算塔体和封头厚度塔体计算壁厚： mpDti 8.312-0.572塔体设计壁厚： Cd .3.82塔体名义壁厚： mdn 101圆整后取： n=12mm塔体有效壁厚：封头设计壁厚： .208.37851.2.5itpDm塔体设计壁厚： 28.310.dCm塔体名义壁厚： .3081.ndCm取圆后整： 2塔体有效壁厚： .92en圆整后取： 10m2.2 塔设备质量载荷计算 2.2.1 筒体和裙座质量 m01：筒节 DN=2000mm， n=12mm，筒节总高度 H=27.5m，裙座总高度 H2=3mq1=596 Kg/m（附录 4） ， q2=438Kg（附录 6）圆筒质量：m 1=q1H0=59627.5 =16390 Kg封头质量：m 2=4382 =876 Kg裙座质量：m 3=q2H2=5963 =1788 Kg甲醇精馏塔的设计化工设备设计基础课程设计第 5 页5012319054mKg2.2.2 塔内件质量 m02：筛板塔盘数：52，筛板塔盘质量：65Kg/m 2m02= 22650.78651034Di Kg2.2.3 保温材料质量 m03： 220203203.785()(D)6).08315(.491)69nniiHmKgd：保温层厚度，100 mm； 2： 保温材料密度 315 Kg/m 3m03：封头保温材料的质量，Kg2.2.4 平台扶梯质量 m04: 2204 21.785(2)().0.1.0.8.0)0.56140361nnpFmDiBDiqHKg B:平台半径或宽度，100mm；q p：平台质量，150Kg/m 2；n:平台数；H F：扶梯高度， 30m； q F:扶梯质量,40Kg/m2.2.5 物料质量 m05:2 205w01(hN).785(0.1.)791.31874fDiV Kghw:板上液层高度，100mm；h 0：塔釜圆筒部分深度；N 塔板数； 1：物料密度，791Kgm 3；Vf：封头容积，mm 3；附件质量 ma:按经验值取 m01 的 0.25 倍,甲醇精馏塔的设计化工设备设计基础课程设计第 6 页6ma=0.25m01=4763.5Kg。2.2.6 充水质量 mw: 2020.785.102.310864wfDiHV Kg偏心质量 ma： 3800Kg操作质量： 01023045679.5aemKg最大质量： max0120341342.wae最小质量： in0102304. 06aemKg2.2.7 质量载荷结果汇总表：（表 1：质量载荷汇总）2.3 风载荷计算以 2-3 段为例：塔高 H20m，塔段 01 12 23 34 4顶 合计塔段长度/mm 1000 3000 7000 10000 10000 310000人孔与平台数 0 0 2 3 1 6塔板数 0 0 10 28 14 52操作质量/Kg 1234056729.5aemm最大质量/Kg ax00 134w最小质量/Kg min12304. 0ae甲醇精馏塔的设计化工设备设计基础课程设计第 7 页7iziifvK12301 536729.109.3190.1.4eimHT sED q1=q0=350Nm 2， 2215.43()qTNsm 动脉增大系数，按 4-5 查得为 2.24；因地面粗糙度类别为 B 级，查表 4-6 得第 3 段脉动影响系数 V3 为 0.72。，查表 4-7，3.ihH并用内插法求得第三段振型系数为 0.1893223.4072.1891.3vKfDe3取 a,b 中较大者 a 3343081eoisDKmb 223isopsdDoi=Di + 2n=2024 mm 310spsm取 K3=400mm， 43284577AI6 63120310.1031087ePqflDN 6021eiiilfK表 2 60310iiieiPqfl计算段il01iv2i2iKifitH平台数4KeiDiP1 1000 350 0.7 0.72 0.0075 2.24 1.01 0.89 1 0 0 2824 6222 3000 350 0.7 0.72 0.03 2.24 1.05 0.97 4 0 0 2824 21143 7000 350 0.7 0.72 0.19 2.24 1.306 1.03 11 2 457 3281 68074 10000 350 0.7 0.79 0.56 2.24 1.78 1.27 21 3 480 3304 182995 10000 350 0.7 0.83 1.00 2.24 2.30 1.43 31 1 160 2984 24045甲醇精馏塔的设计化工设备设计基础课程设计第 8 页82.4 风弯矩计算0 51231235129()().(.)625047506808904.74w lllMppllplNm13 525239().(.)50650871089024.3wl llppl2 53539.(.)67189024520.741wllMplNm2.5 地震载荷计算等径、等厚度的塔， 15310215.HDi按公式（4-21） 、 （4-22）计算基本振型地震弯矩gmCMzEi 0103565.35.2.35.20478hHgmCMziE Cz-综合影响系数，直立圆筒取 0.5有地震设防烈度 8 级，设计基本地震加速度：0.2g 查表 4-8 得max=0.16；由场地土类类，设计地震分组：第二组，查表 4-9 得Tg=0.4；已计算得 T1=1.014s取第一振型脉动增加系数 1=0.02，得衰减指数 10.59.9110.2(.5)80.2(.502)8.421 1.39.67.67.将上述各值代入图 4-48 中公式计算得 a1=0.091 计算界面 0-0，1-1，2-2的地震弯矩，并考虑高震型影响 0 91066.0972.59830.856103535EMmgHNm甲醇精馏塔的设计化工设备设计基础课程设计第 9 页900991.25.85610.7EEMNm3.2.3.502.5 . 2.53.5.98(4)7.6(10140140)1.8mgHhN 119925.87.EEMNm3.52.53.512.5.(041h)780.969= 4+omgHN . 2.53.5（ 0-00）2291.50.81EEMNm2.6 偏心弯矩计算偏心质量 偏心距 e=2000mm380emKg偏心弯矩 89.8120.74610eMNm2.7 各载荷引起的轴向应力由压力引起的轴向应力 1.20641ciepDMPa操作质量引起的轴向应力：02iiviemgFD截面 0-0 02679.581.5634iegMPa截面 1-1 102.0.432iemD其中 10679.5836791.5Kg甲醇精馏塔的设计化工设备设计基础课程设计第 10 页10截面 2-2 202615.98.613420iemgMPaD其中 20875.Kg最大弯矩在筒体内引起的轴向应力 )(25.0max 取 大 值 eiWiEei MM截面 0-0 09max32241.38504.17ie MPaD截面 1-1 191ax322.3.8ie截面 2-2 92max324.57106.43ieMPaD2.8 塔体与裙座的危险截面强度、稳定性校核2.8.1 危险截面强度校核本设备为内压设备，最大组合轴向拉应力出现在正常操作的迎风侧，根据（4-30）验算得到截面 2-2 为最危险截面，对此截面进行强度校核 t=170MPa，=0.85 ， K=1.3，Kt =1.31700.85=187.58MPa 222max13609.13.748.1MPat87.85MPaKa 满足要求2.8.2 裙座与塔体对接焊缝 2-2 截面拉应力校核由于裙座与塔体内径相等，所以采用对接焊缝，22max0max0244.63.101JJ twitesitesMgMgD满足条件甲醇精馏塔的设计化工设备设计基础课程设计第 11 页112.8.3 对各危险截面进行稳定性校核 22max39.61.746.31MPatCr46.min,in40.,2140.MPaKBMPa 112max3085.2tCr5.i,i13,5.600max231.647MPatCr4.7min,in2,.13MPaKBMPa B=0.06Etei/ t =113MP K=1.3 满足稳定性要求2.9 塔体水压试验和吊装时的应力校核 水压试验时各种载荷引起的应力：（1）试验压力和液柱静压力引起的环向应力 T(P)1.50362+10=82.5MPa2ieieiD液 柱 静 压 力7=1.5Ti MPa液柱静压力=rH9.81=0.0001310009.81=0.316按第三章式（3-16）进行应力校核：0.9.0853426.9s Pa182.5063.9TPaM满足要求（2）试验压力引起的轴向拉应力1.520741TiePDMPa（3）最大质量引起的轴向压应力 甲醇精馏塔的设计化工设备设计基础课程设计第 12 页12213746.59812.470TiemgMPaD（4）弯矩引起的轴向应力2 983 20.4.37410.769.7weTiMMPa最大组合轴向拉应力按（4-34）进行校核：1236.9TTPa液压试验时 1236.90.263.9T sMaKPa最大组合轴向压应力按（4-35）进行校核： 23.479.min,.in140.,5140.T sCrBMPa 满足要求2.10 基础环板设计2.10.1 基础环板内、外径取 302302obisDm17iis2.10.2 基础环应力校核：00maxmaxmax .3,wbbbMgMgzAzA2 222.785178404boiAD444 8230.35613bobiZ(1): 0 9maxax 81.3250672.5981.04obbMg MPaZA甲醇精馏塔的设计化工设备设计基础课程设计第 13 页13(2): 0 98maxmax 8.30.374610.137462.598150webbbMg MPaZA 取以上两者中的较大值 b=2.01MPa，选用 100 号混泥土，由表 8-9 查的其许用应力 Ra=5.0MPa， bmax=1.725.0MPa满足要求2.10.3 基础环厚度计算：b=140MPa; C=3mm。，假设螺栓直径为0112=30-2+10=42bisesDmM36， 由表 8-11 查得 L=160mm，当 时，由表 8-10 查得 ：.86bl2 2max0.1480.148.053.Xb N4Yl m取其中较大值，故 Ms=5838.5 （Nmm）按有筋板时计算基础环厚度： 6583.1.820MsbbC圆整后取 b=19mm 16mm ，合理2.11 地脚螺栓计算，其中25.0,maxminb0 bobwEbwb AgMegMe mZAZ in4362Kg091.7EN09.74610N079.583356b 218b（1）918.0.4069.4671B MPa甲醇精馏塔的设计化工设备设计基础课程设计第 14 页14（2）9982 81.07.25074610.6729.581.034B MPa 取以上两数中的较大值， 2.BMPa地脚螺栓的螺纹直径， 124btAdCn式中：d 1为地脚螺栓螺纹直径，mm；C 2 为地脚螺栓腐蚀裕量，取 3mm；n 为地脚螺栓个数，一般去 4 的倍数； 为地脚螺栓材料的许用应力，选取 Q235-btA 时，取 ，假设 n=32，则 7btMPa142.01835.0234dm圆整后取 ，M36M24，合理 16故选用 32-M36 的地脚螺栓。甲醇精馏塔的设计化工设备设计基础课程设计第 15 页15第 3 章塔结构设计3.1 塔体塔体包括塔壳筒体、封头、人孔、手孔、叶面计、接管、法兰等各受压元件，其结构形式和要求应满足 GB150 有关规定。 3.2 板式塔及塔盘因塔径为 2000mm 大于 800mm 故选用分块式塔盘 3.3 塔设备附件3.3.1 接管塔设备的塔体上配有各种工艺接管和仪表接管，大多数接管与一般容器上接管结构相同。3.3.2 除沫装置除沫装置属气液分离装置，用以出去气体夹带的液滴和雾沫，保证传质效率。触摸装置可安装在塔内或塔上部，也可作为独立的气液分离设备。3.3.3 吊柱对于高度大于 15m 的室外无框架的整体塔，应考虑安装和检修时起吊塔台及其他附件方便，所以常在塔顶安装可转动的吊柱。3.3.4 裙式支座裙座是塔设备广泛采用的一种支座，裙座有圆筒形和圆锥型两种，这次设计采用圆筒形。甲醇精馏塔的设计化工设备设计基础课程设计第 16 页163.3.5 保温圈塔外保温材料的支撑圈叫保温圈。塔体保温圈为型；塔顶保温圈为型；塔底保温圈为型。 但条件已提供保温材料。密度为 315Kg/m3甲醇精馏塔的设计化工设备设计基础课程设计第 17 页17附录附表 1：各部件尺寸大小筒体高度/m 27.5 裙座高度/m 3塔体名义壁厚/mm 12 塔体有效壁厚/mm 10裙座名义壁厚/mm 12 裙座有效壁厚/mm 10基础环外径/mm 2300 基础环内径/mm 1700基础环应力/MPa 1.72 基础环厚度 19mm地脚螺栓个数 32 地脚螺栓直径/mm 36筒体和封头材料 16MnR 裙座材料 Q-235A裙座类型 圆筒型 塔盘 分块式附表 2：质量载荷结果汇总塔段 01 12 23 34 4顶 合计塔段长度/mm 1000 3000 7000 10000 10000 310000人孔与平台数 0 0 2 3 1 6塔板数 0 0 10 28 14 52塔体质量/Kg 19054 塔内件质量/Kg 10613 保温材料质量/Kg 6109平台扶梯质量/Kg 4618 物料质量/Kg 18777 充水质量/Kg 88610操作质量/Kg 010230456729.5aemm最大质量/Kg ax 134w最小质量/Kg min0102304. 0ae甲醇精馏塔的设计化工设备设计基础课程设计第 18 页18附表 3：各载荷结果汇总 09.74610wMNm 091.7EMNm123 2风弯矩 29.w地 震载荷 90.86E截面 0-0 10.56MPa 截面 0-0 44.21MPa截面 1-1 10.43MPa 截面 1-1 43.80MPa操作质量引起的轴向应力截面 2-2 9.61MPa最大弯矩引起的轴向应力截面 2-2 36.74MPa偏心弯矩 0.746108N/mm 压力引起的轴向应力 60MPa附表 4：风载荷计算结果汇总计算段il0q1Kiv2i2iKifitH平台数4KeiDiP1 1000 350 0.7 0.72 0.0075 2.24 1.01 0.89 1 0 0 2824 6222 3000 350 0.7 0.72 0.03 2.24 1.05 0.97 4 0 0 2824 21143 7000 350 0.7 0.72 0.19 2.24 1.306 1.03 11 2 457 3281 68074 10000 350 0.7 0.79 0.56 2.24 1.78 1.27 21 3 480 3304 182995 10000 35