【毕业论文】催化裂化甲苯塔的结构设计及理论计算

催化裂化甲苯塔的结构设计及理论计算摘要本文首先根据设计参数进行了甲苯塔主体的设计，包括封头和筒体的壁厚计算。接着对甲苯塔受到的各种载荷进行了计算，包括：质量载荷、地震载荷、风载荷及自振周期，计算出甲苯塔受到的各项载荷后，对塔体进行了强度校核和开孔不强计算。完成甲苯塔的整体设计及强度校核后，对甲苯塔进行了结构设计和零部件计算，主要包括：裙座计算、格栅板的计算、保温支撑圈的计算。关键词：甲苯塔，强度，设计，经济分析III催化裂化甲苯塔的结构设计及理论计算AbstractThis passage mainly designed a packing tower .First ,the style of the packingtower was chosen ,under the requires ,then the material of the packing tower waschosen too ,when the style and the material of the packing tower were chosen ,itstime to calculate the thick of the packing tower .Next ,the author calculated a kinds ofloads of the packing tower, including : mass load ,earthquake load ,wind load , andtheir moments .When all the loads and moments were calculated , there was didstrength proofread and water press experiment .When the whole design and strength proofread were completed, there was didstructure design of the packing tower and parts calculate . Mainly including: packingtray skirt design of the packing tower, foundation plate design , foundation boltscalculate and perforation patch weld calculate .Keywords :packing tower , load , strength , design , calculateIV催化裂化甲苯塔的结构设计及理论计算目录目录.III第一章 前 言.11.1 设计目的.11.2 设计任务.11.3 研究背景.21.4 研究意义.21.5 研究步骤.2第二章 甲苯塔的设计及计算.72.1 引言.72.2 甲苯塔整体设计及计算：.72.3 塔体设计计算.82.4 封头的选择.92.5 裙座设计.92.6 甲苯塔整体计算及校核.102.7 自振周期.132.8 地震载荷与地震弯矩.132.9 应力计算.172.10 组合应力校核.182.11 甲苯塔零部件的设计及选用.192.12 开口补强的校核.222.12.3 c 孔.282.12.4 人孔.31第三章 专题讨论.353.1 甲苯塔控制概述.353.2 甲苯塔经济分析.35V催化裂化甲苯塔的结构设计及理论计算第四章 结论.374.1 结论.374.2 毕业设计小结.37参考文献.39VI催化裂化甲苯塔的结构设计及理论计算第一章 前 言1.1 设计目的（1）培养学生把所相关课程的理论知识，在毕业设计中综合地加以运用，巩固和强化有关机械课程的基本理论和基本知识。（2）培养学生对化工工程设计的技能以及独立分析问题、解决问题的能力。树立正确的设计思想，掌握化工单元设备设计的基本方法和步骤，为今后创造性地设计化工设备及机械打下一定的基础。（3）培养学生熟悉、查阅并综合运用各种有关的设计手册、规范、标准、图册等设计技术资料；进一步培养学生识图、制图、运算、编写设计说明书等基本技能；完成作为工程技术人员在机械设计方面所必备的设计能力的基本训练。1.2 设计任务设计一座甲苯塔。基本参数要求：设计压力：0.35 MPa；设计温度：185C；基本风压：450N/m；腐蚀裕量：3 mm；焊缝系数：0.85；容积：101.6 m；地震烈度：6 度；射线检测：20% ；场地土类别： 类；规范名称：GB150-1998任务内容要求：说明部分编写开题报告一份；翻译外文一份；查阅外文资料，译文不少于 2 万字符。编写设计论文一份，其中包括：（1） 设计目的及设计任务；（2） 论文综述：查阅中外文有关文献和专利,综述相关内容;1催化裂化甲苯塔的结构设计及理论计算（3） 甲笨塔整体结构设计说明；（4） 甲苯塔整体和零部件结构设计与计算说明;（5） 甲苯塔工艺流程说明；（6） 概述对甲苯塔的控制；（7） 初估总体价钱,进行经济分析。计算部分：（1）甲苯搭整体强度校核计算（2）甲苯搭零部件计算：地脚螺栓，塔盘结构，法兰开孔与开孔补强等。绘图部分：（1） 手工绘制甲苯塔结构图 1 张（0#）（2） 计算机绘制甲苯塔结构图 1 张（0#）.（3） 计算机绘制甲苯塔零部件图 2 张。1.3 研究背景芳烃是石油化工工业的重要基础原料，在总数约八百万种的已知有机化合物中，芳烃化合物占了约 30%，其中 BTX 芳烃（苯、甲苯、二甲苯）被称为一级基本有机原料。二战后，BTX 芳烃主要在石油化工工业中大量生产和应用。随着科学技术的飞速发展以及人们对生活和文化的需求日益提高，据统计和预测，从 1970 年到 2010 年世界范围内对芳烃主要产品（苯和二甲苯）的需求量增长速度大于全世界生产总之总值的提高速度。1.4 研究意义在毕业设计中，我们将大学四年的所有知识系统的概括起来，做到了进一步的深化，使将来我们在自己的工作岗位中对知识的理解加深，起到了承上启下的作用1.5 研究步骤烷基芳香烃分子中与苯环直接相连的烷基，在一定情况下可以被脱去，此类反应称为芳烃的脱烷基化。工业上主要应用于甲苯脱甲基制苯。脱烷基反应的化学过程以甲苯加氢脱烷基制2催化裂化甲苯塔的结构设计及理论计算主副反应和热力学分析CH3+H2主要反应：+3H2+CH4+6H26H4副反应：CH4C+2H2四个反应的常数和温度关系如表 3.1：表 3-1 四个反应的常数和温度关系反应logKp(4-8)(4-9)(4-10)(4-11)700K(427)3.17-4.2625.02-0.95800K(527)2.72-6.3221.65-0.15900K(627)2.36-7.9218.960.491000K(727)2.07-9.1916.701.01主反应在热力学上有利。温度不太高，氢分压较高时，可进行的比较完全，环烷烃加氢裂解成 甲苯为不可逆反应，较高反应温度，较低烃分压下可被抑制，温度过高，氢分压过低有利于甲烷生碳及芳烃脱氢缩合，副反应难以从热力学上3催化裂化甲苯塔的结构设计及理论计算加以抑制，热力学分析结论，从动力学上来控制副反应的反应速度，尽量少发生。反应温度不宜太高也不宜太低，氢分压和氢气对甲苯的摩尔比也要适宜。脱烷基化方法：（1）烷基芳烃的催化脱烷基反应生成苯和烯烃，是强吸热反应。烷基愈大愈容易脱去：叔丁基异丙基乙基甲基。不适用于甲苯脱甲基制苯。（2）烷基芳烃催化氧化脱烷基以甲苯为例，选择性 70%氧化催化剂，如铀酸铋，氧化深度难控，选择性低，未工业化。（3）烷基芳烃的加氢脱烷基在大量氢气的存在及加压下，使烷基芳烃发生氢解反应脱去烷基生成母体芳烃和烷烃。工业上广泛用于甲苯脱甲基制苯。临氢条件下，有利于抑制焦炭生成，但存在深度加氢副反应加氢脱烷基工艺方法：热法和催化法如下表 3.2：表 3-2 热法和催化法项目反应温度，反应压力，MPa苯收率，%催化剂反应器运转周期空速大小催化法5306502.947.859698要半年较小（反应器较大）热法600700964.909799不要一年较大（反应器较小）原料要求原料适应性差，非芳烃和 原料适应性较好，允许含C9 含量不能太高非芳烃达 30% C9，芳烃达15%氢的要求气态烃生成量氢耗量反应器材质要求对 CO、CO2、H2S、NH2等杂质含量有一定要求少低低4杂质含量不限制稍多稍高高催化裂化甲苯塔的结构设计及理论计算苯纯度99999.95%99.99%用于热法不需要催化剂，苯收率和高原料适应性较强等优点，所以采用加氢热脱烷基的装置日渐多。（4）在加氢脱烷基同样的反应条件下，用水蒸气代替氢气进行的脱烷基反应。优点：廉价水蒸气，副产大量含氢气体缺点：苯收率比加氢法低 9097%而且催化剂成本高。甲苯热脱烷基制苯原料：甲苯、混合芳烃、裂解汽油特点：在柱塞流式反应器的六个不同部位加入由分离塔闪蒸出来的氢，从而控制反应温度稳定，副反应较少，重芳烃的产率较低。首先我想先根据设计参数进行了甲苯塔的选型、选材，然后计算塔体厚度，接着对甲苯塔受到的各种载荷进行了计算，包括：质量载荷、地震载荷、风载荷及自振周期，计算出甲苯塔受到的各项载荷后，对塔体进行了强度校核和水压实验。完成甲苯塔的整体设计及强度校核后，对甲苯塔进行了结构设计和零部件计算，主要包括：甲苯塔塔盘的结构设计及挠度计算、基础环设计、地脚螺栓计算和开孔补强计算。最后，制定任务计划书，坚持每天写工作日志，把这个过程中所学到的东西记下来，方便以后学习。在学习中，我必定会遇到许多不会的东西，所以我要经常向老师请教，积极配合老师的指导，不懂就问，尽量不让所研究的对象出现不清楚的地方。具体步骤如下：1.5.1 查阅中外文有关文献和专利，收集资料；1.5.2 甲苯塔的强度、刚度和稳定性计算：（1） 按设计压力计算塔体和封头壁厚；（2） 计算开孔补强；（3） 塔设备质量载荷计算；（4） 风载荷和风弯矩计算；（5） 地震载荷和地震弯矩计算；5催化裂化甲苯塔的结构设计及理论计算（6） 偏心载荷与偏心弯矩计算；（7） 各种载荷引起的轴向应力；（8） 塔体和裙座危险截面的强度与稳定校核；（9） 基础环设计；（10）地脚螺栓计算。1.5.3 甲苯塔的结构设计：（11）塔体与裙座结构设计；（12）填料支撑的设计；（13）防涡流器的设计；（14）保温支撑全的设计（15）塔顶吊柱的设计；1.5.4 甲苯塔的温度控制概述1.5.5 绘制甲苯塔结6催化裂化甲苯塔的结构设计及理论计算第二章 甲苯塔的设计及计算塔体设计参数：设计压力： 0.22MPa ； 设计温度：100C； 基本风压：300 N/m；腐蚀裕量：1.5mm ；壳体主材：20R；焊缝系数： 0.85；地震烈度：8 度 ；场地土类别 : 类； 地面粗糙度： B 类。规范名称 :GB150-1998 、JB/T4710-2005。2.1 引言本章将根据给定的设计参数和要求对甲苯塔的结构做一整体的设计，主要围绕筒体设计计算（包括应力校核和壳体稳定验算等），裙座验算（包括裙座筒体稳定验算、焊缝验算、地脚螺栓的选用等）、接管开孔补强计算（其中包括人孔的选用）和法兰设计（包括垫片及螺栓的选用等）四部分展开，设计过程严格按照国家标准（GB150-1989）-钢制压力容器和中华人民共和国行业标准（JB470-92）-钢制塔式容器的要求进行9。设计基本参数设计压力： 0.22MPa ； 设计温度：100C；基本风压：300 N/m；腐蚀裕量：1.5mm ；壳体主材：20R；焊缝系数： 0.85；地震烈度：8 度 ；场地土类别: 类； 地面粗糙度：B 类。规范名称:GB150-1998 、JB/T4710-2005。2.2 甲苯塔整体设计及计算：2.2.1 塔形选择板式塔和填料塔都是常用的精馏塔型，比较而言，板式塔结构复杂。填料塔则结构简单。则从经济性角度上来讲，板式塔塔径越大，越显出比填料塔造价低的优点；综上所述，本设计选用甲苯塔为填料塔。2.2.2 填料层支撑的选择7催化裂化甲苯塔的结构设计及理论计算填料层的支撑结构主要有格栅板和调料支承座两种，由于天两支承座结构复杂，成本高，故选用格栅板支撑。2.3 塔体设计计算2.3.1 选材题目要求中已经给出塔体主材为 20R，属于低合金钢材2.3.2 塔体厚度计算（1）计算厚度：公式 i =pc Di2 t pc（11）（2）由设计参数得， pc = 0.22MPa ， Di = 2600mm ， t = 100 ， = 0.85 ，查 GB150-1998，材料 20R， t = 147MPa ；代入式（11）得：（3） i =0.35 20002 105 0.85 0.35= 6mm（12）（4）设计厚度： 公式 s = i + C（5）又有 C = C1 + C2 ， C1 = 1.5mm ， C2 = 0.25mm ，所以 C = 1.5 + 0.25 = 1.75mm ；代入式（2）得： S = 6 + 1.75 = 7.75mm（6）名义厚度： 由于设计厚度 s = 7.75mm进行圆整，得 n = 10mm（7）有效厚度： 由公式 e = n C 得， e = 10 1.75 = 8.25mm8催化裂化甲苯塔的结构设计及理论计算2.4 封头的选择查 JB/T4746-2002 ， 选 用 标 准 封 头 公 称 直 径 与 塔 体 内 径 相 等 ， 即Dif = 2600mm ，曲面高度为 690mm ，直边高度为 40mm 。2.5 裙座设计裙座形式有两种，一种是圆筒形裙座，另一种是圆锥形裙座，一般情况下选用圆筒形裙座。对 DN 25 ； DN 1000mm ， H DN 30 这类细高型塔在一定情况下应选用圆锥形裙座。本设计中 DN 1000mm ，但 H DN 30 ，所以不属于可能选择圆锥形裙座的细高塔类型，故选用圆筒形裙座。2.5.1 选材由于，裙座不接触物料，设计温度与设计压力的要求也不比塔体材料要高，所以选用材料 Q235-A。2.5.2 裙座与塔体的连接选用对接接头形式，两者的连接焊缝须采用全焊透连续焊，焊接完毕后采用100无损检测。2.5.3 裙座筒体的厚度由于裙座与塔体的连接方式采用的是对接接头形式，此时裙座壳体外径宜与塔体底封头外径相等，所以裙座厚度应与筒体厚度相同，故取裙座筒体厚度 ns = 10mm 。2.5.4 裙座顶部到封头切线的距离 h公式： h = (Di4DD2（23）；其中， Di 椭圆形封头内径 mm ， t1 椭圆形封头厚度 mm ，t2 裙座的厚度。9( i + t1 t2 )2+ t1) 1 2( i + t1)2催化裂化甲苯塔的结构设计及理论计算又由， Di = 2600mm ， t1 = 10mm ， t2 = 10mm ，代入式（23）得，h = (20004+ 8) 1 (200022000 22= 64mm2.6 甲苯塔整体计算及校核2.6.1 塔体质量计算（1）筒体质量：公式m = Di n （24）；又因为， Di = 2600mm ， n = 10mm ， = 7.85 103 kg m3 ，代入式（4）得，m = 3.14 2600 103 10 103 7.85 103 5792 kg（2）封头质量： 因采用标准封头质量可有公称直径在 JB/T4736-2005 上查到m2 = 2 586 = 1172(kg )（3）裙座质量：裙座质量类似于筒体，可与求筒体质量方法相同m3 = 1029kg（4）空塔质量：公式m01 = m1 + m2 + m3（25）；又由， m1 = 5792kg ， m2 = 1172kg ， m3 = 1029kg ，带入式（25）得，m01 = 5792 + 1172 + 1029 7993(kg )2.6.2 塔内件质量公式m02 =42（26）；10+ 8 8)2+ 8)(Di N qN催化裂化甲苯塔的结构设计及理论计算但设计时并没有考虑，因此塔内件质量 m02 = 02.6.3 保温层质量m03 =4(Di + 2 n + 2 s )2 (Di + 2 n )2 H 0 2（27）；又由， n = 10mm ， s = 50mm ， H 0 = 10400mm ， 2 = 300 kg m3代入式（7）得，m03 =3.14422.6.4 平台、扶梯质量m04 =4(Di + 2 n + 2 + 2B)2 （28）；2又由， q p = 300 kg m2 ， qF = 40 kg m ， n = 2 ， H F = 9m ， = 4mm代入式（28）得，m04 =3.144(2 + 0.016 + 0.008 + 108)2 (2 + 0.016 + 0.008)2 0.5 2 300 + 40 9 420(kg )2.6.5 操作时塔内物料质量公式m05 =4Di2 (hw N + h0 ) 1 + V f 1（29）；11(2 + 0.016 + 0.2)2 (2 + 0.016) 10.4 300 1369(kg )(Di + 2 n + 2 ) 0.5nq p + qF H F催化裂化甲苯塔的结构设计及理论计算又由， hw = 100mm ， 1 = 505 kg m3 ，V f = 1.18m3 ，代入式（29）得，m05 =3.144 22 550 (0.1 50 + 1.8) + 1.18 750 18768(kg )2.6.6 人孔、接管、法兰等附件质量按经验取福建质量为： ma = 0.25m01得， ma = 0.25 7993 = 1998(kg )2.6.7 充液质量（210）；公式mw =4Di2 H 0 w + 2V f w（211）；又由，水的密度 w = 1000 kg m3 ，代入式（211）得，mw =3.144 22 10.4 1000 + 2 1.18 1000 = 52810(kg )2.6.8 偏心质量me = 4000kg2.6.9 操作质量 m0 、最小质量 mmin 、最大质量 mmaxm0 = m01 + m02 + m03 + m04 + m05 + ma + me = 28475(kg )mmin = m01 + 0.2m02 + m03 + m04 + ma + me = 9707(kg )mmax = m0 + mw = 64371 + 101584 = 62517(kg )12催化裂化甲苯塔的结构设计及理论计算2.7 自振周期公式T1 = 90.33Hm0 H3103（212）；又由，E = 1.9GPa（查 GB150-98 表 15），H = 10400mm 代入式（212）得T1 = 90.33 37100 64371 371005 3103 2.472.8 地震载荷与地震弯矩将塔体分为两段，以塔基为 00 截面，裙座于筒体连接的界面 A-A 界面（单位：mm）。2.8.1 各段操作质量（1） 0-0 段：m0 = m01 + m02 + m03 + m04 + m05 + ma + me = 28475（2） 1-1 段：m0 = m01 + m02 + m03 + m04 + m05 + ma + me = 26784（3） A-A 段：m0 = m01 + m02 + m03 + m04 + m05 + ma + me = 2814613E e Di1.9 10 8 2000催化裂化甲苯塔的结构设计及理论计算2.8.2 最小质量（1）0-0 段：m0 = m01 + 0.2m02 + m03 + m04 + ma + me = 9707（2） 1-1 段：m0 = m01 + 0.2m02 + m03 + m04 + ma + me = 8015（3） A-A 段：m0 = m01 + 0.2m02 + m03 + m04 + ma + me = 93782.8.3 液压试验质量（1）0-0 段：（2）1-1 段：（3）A-A 段：m=62517m=8015m=621872.8.4 风弯矩查取体型系数 K1 = 0.7 ，风振系数 K 21 = 1.7 ，基本风压 q0 = 300 N m2 ，风压高度变化系数 f1 = 0.8 ，保温层厚度 si = 50mm（1）0-0 段：M w0 0 = Pi li / 2 + Pi +1 (li + li +1 / 2) + Pi + 2 (li + li +1 + li + 2 / 2) + . = 5.951e+07（2）1-1 段：11（3）A-A 段：M wA A = Pi li / 2 + Pi +1 (li + li +1 / 2) + Pi + 2 (li + li +1 + li + 2 / 2) + . = 5.398e+0714M w i i iP +1 (li il +1 / 2) + Pi + 2 (li il +1 + li + 2 / 2) + . = 4.373e+07= P l / 2 + + +催化裂化甲苯塔的结构设计及理论计算2.8.5 组合风弯矩（1）0-0 段：2（2）1-1 段：2（3）A-A 段：22.8.6 地震弯矩（1）0-0 段：nk =i（2）1-1 段：n(hk =i（3）A-A 段：nk =i152max( , ( ) ( ) ) 5.951e+07I I Iew w ca cwM M M M = + =2max( , ( ) ( ) ) 4.373e+07I I Iew w ca cwM M M M = + =2max( , ( ) ( ) ) 5.398e+07I I I I I Iew w ca cwM M M M = + =0 0 1 ( ) 3.56e+07E k kM F h h = =1 ) 2.83e+07I IE k kM F h = =1 ( ) 3.316e+07A AE k kM F h h = =催化裂化甲苯塔的结构设计及理论计算2.8.7 偏心弯矩（1）0-0 段：M e = me gle = 0（2）1-1 段：M e = me gle = 0（3）A-A 段：M e = me gle = 02.8.8 最大弯矩（1）0-0 段：M max = max(M wI I + M e , M EI I + 0.25M wI I + M e ) = 5.951e+07（2）1-1 段：I I I I I I（3）A-A 段：I I I I I I2.8.9 垂直地震力（1）0-0 段：n= mhF hk =116max max( ) 4.373e+07w e E w eM M= =,M M+0.25M+M+max max( ) 5.398e+07w e E w eM M= =,M M+0.25M+M+0 0 / ( 1, 2,., ) 21789vi i i v k kF m i n = =催化裂化甲苯塔的结构设计及理论计算（2）1-1 段：nk =1（3）A-A 段：n= mhF hk =12.9 应力计算170-01-1A-A 11 = P c D i / 4 ei016.820I I I I 12 = ( m 0 g Fv ) / D i ei6.573.786.47I I 2 13 = 4 M max / D i ei2.150.971.96I I I I 22 = ( m0 g Fv ) / Di ei01.130 31 = P T D i / 4 ei021.030I I32 = mT g / Diei14.421.1314.30I I 2 33 = 4( 0.3M w + M e ) / Di ei0640.290.59t113133113B50.1181.8750.110 0 / ( 1, 2,., )