毕业论文范文——年处理量9万吨苯—甲苯精馏浮阀塔设计

南华大学机械学院毕业设计年处理量9万吨苯甲苯精馏浮阀塔设计摘要：在化工、炼油、医药、食品及环境保护等工业部门，塔设备是一种重要的单元操作设备。它可以实现气（汽）-液相或液-液相之间的充分接触，从而达到相际间进行传质及传热的目的。苯和甲苯都是化工生产中的重要原料。因此，将苯和甲苯从其混合物中分离出来意义重大。设计一座连续浮阀塔，通过对原料，产品的要求和物性参数的确定及对主要尺寸的计算，工艺设计和附属设备结果选型设计，完成对苯-甲苯精馏工艺流程和主体设备设计关键词：精馏塔；浮阀塔；苯；甲苯Abstract: The tower equipment is an important unit operation equipment in industry sectors,for instrance, chemical industry, refinery, medicine, food , environmental protection,and so on.It can realize the steam between the liquid phase or the fluid - liquid phase contect deeply, thus achieveing the border carries on the mass transfer and the heat transfer goal.The distillation is the separation of liquid mixtures most commonly used as an. unit operation in chemical industry, oil refining, petrochemical and other industries. The design mission is to produce an important chemical raw material from a mixture of benzene and toluene, it will be a great significance if the material can be separated from its mixture of benzene and toluen. The design of a continuous distillation valve column, in the material, product requirements and the main physical parameters and to determine the size, process design and selection of equipment and design results, completion of the benzene-toluene distillation process and equipment design themeKeywords : rectification column； valve tower； Benzene；Toluene目录绪论10.1设计题目10.2精馏及精馏流程10.3精馏的分类10.4精馏操作的特点20.5塔板的类型与选择2一、设计方案的选择和论证31.1 设计流程31.2 设计思路3二、浮阀塔结构设计62.1基础物性数据62.1.1原料液及塔顶，塔底产品的摩尔分率62.1.2原料液及塔顶，塔底产品的平均摩尔分率72.2塔板数的确定72.2.1理论层数NT的求取72.2.2实际板数Np的求取102.3.1操作压力的计算102.3.2操作温度的计算102.3.3平均摩尔质量的计算102.3.4平均密度的计算112.4精馏塔的工艺尺寸的计算122.4.1塔径的计算122.4.2精馏塔有效高度的计算132.5塔板主要工艺尺寸的计算132.5.1降液管的选择与计算132.5.2溢流堰的选择与计算142.5.3受液盘和底隙152.5.4塔盘及其布置15三、塔板流动性能校核183.1液沫夹带量校核183.2塔板阻力hf的计算183.3降液管液泛校核193.4液体在降液管内的停留时间193.5严重漏夜校核193.6塔板负荷性能图203.6.1过量液沫夹带线关系式203.6.2液相下限线关系式203.6.3严重漏夜线关系式203.6.4液相上限线关系式213.6.5降液管液泛线关系式21四、浮阀塔载荷分析及强度校核234.1筒体和封头厚度计算234.2载荷分析244.2.1塔设备质量载荷计算244.2.2自振周期的计算274.2.3地震载荷与地震弯矩的计算274.2.4风载荷与风弯矩的计算294.2.5最大弯矩334.3强度校核344.3.1圆筒轴向力校核和圆筒稳定性校核344.3.2塔设备压力试验时的应力校核354.3.3裙座轴向应力校核364.3.4基础环和地脚螺栓设计及校核384.3.5筋板设计及校核404.3.6盖板设计及校核414.3.7裙座与塔壳的对接焊缝424.3.8接管的计算与选择434.4开孔及开孔补强设计444.4.1补强结构444.4.2开孔补强设计准则454.4.3允许不另行补强的最大开孔直径454.4.4等面积补强计算46五、英文文献翻译53主要符号说明96参考文献98结束语99第vi页绪论0.1设计题目苯甲苯连续精馏塔的工艺设计（浮阀塔）0.2精馏及精馏流程精馏是多级分离过程，即同时进行多次部分汽化和部分冷凝的过程。因此可是混合物得到几乎完全的分离。精馏可视为由多次蒸馏演变而来的。精馏操作广泛用于分离纯化各种混合物，是化工、医药、食品等工业中尤为常见的单元操作。化工成产中，精馏主要用于以下几种目的:获得馏出液塔顶的产品；将溶液多级分离后，收集馏出液，用于获得甲苯，氯苯等；脱出杂质获得纯净的溶剂或半成品，如酒精提纯，进行精馏操作的设备叫做精馏塔。精馏过程中采用连续精馏流程，原料液经预热器加热到指定温度后，送入精馏塔的进料板，在进料板上与自塔顶上部下降的回流液体汇合后，逐板溢流，最后流入塔底再沸器中。在每层板上，回流液体与上升蒸汽互相接触，进行热和质的传递过程。操作时，连续地从再沸器取出部分液体作为塔底产品，部分汽化，产生上升蒸汽，依次通过各层塔板。塔顶蒸汽进入冷凝器中被全部冷凝，并将部分冷凝液用泵送回塔顶作为回流液体，其余部分经冷却器后被送出作为塔顶产品。根据精馏原理可知，单有精馏塔还不能完成精馏操作，必须同时拥有塔底再沸器和塔顶冷凝器，有时还有配原料液，预热器、回流液泵等附属设备，才能实现整个操作。0.3精馏的分类按操作方式可分为:间歇式和连续式，工业上大多数精馏过程都是采用连续稳定的操作过程。化工中的精馏操作大多数是分离多组分溶液。多组分精馏的特点：能保证产品质量，满足工艺要求，生产能力大；流程短，设备投资费用少；耗能量低，收率高，操作费用低；操作管理方便。0.4精馏操作的特点从上述对精馏过程的简单介绍可知，常见的精馏塔的两端分别为汽化成分的冷凝和液体的沸腾的传热过程，精馏塔也就是一种换热器。但和一般的传热过程相比，精馏操作又有如下特点： （1)沸点升高 精馏的溶液中含有沸点不同的溶剂，在相同的压力下溶液的蒸汽压较同温度下纯溶剂的汽化压低，使溶液的沸点高于醇溶液的沸点，这种现象称为沸点的升高。在加热汽化温度一定的情况下，汽化溶液时的传热温差必定小于加热纯溶剂的纯温差，而且溶液的浓度越高，这种影响也越显著。 （2)物料的工艺特性精馏溶液本身具有某些特性，如某些物料在加入到溶液中时可与溶液中的某一组分或几组分形成恒沸液等。如何利用物料的特性和工艺要求，选择适宜的精流流程和设备是精馏操作彼此需要知道和必须考虑的问题。 （3)节约能源精馏汽化的溶剂量较大，需要消耗较大的加热蒸汽。如何充分利用热量提高加热蒸汽的利用率是精馏操作需要考虑的另一个问题。0.5塔板的类型与选择 塔板是板式塔的主要构件，分为错流式塔板和逆流式塔板两类 ，工业应用以错流式 塔板为主，常用的错流式塔板有：泡罩塔板、筛孔塔板和浮阀塔板。我们应用的是浮阀塔板，因为它是在泡罩塔板和筛孔塔板的基础上发展起来的，它吸收了两种塔板的优点。它具有结构简单，制造方便，造价低；塔板开孔率大，生产能力大；由于阀片可随气量变化自由升降，故操作弹性大，因上升气流水平吹入液层，气液接触时间较长，故塔板效率较高。一、设计方案的选择和论证1.1 设计流程本设计任务为分离苯_甲苯混合物。对于二元混合物的分离，采用连续精馏流程。设计中采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷凝器冷却后送至储罐。该物系属易分离物系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的2倍。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。 连续精馏塔流程流程图 连续精馏流程附图图1-1 流程图1.2 设计思路在本次设计中，我们进行的是苯和甲苯二元物系的精馏分离，简单蒸馏和平衡蒸馏只能达到组分的部分增浓，如何利用两组分的挥发度的差异实现高纯度分离，是精馏塔的基本原理。实际上，蒸馏装置包括精馏塔、原料预热器、蒸馏釜、冷凝器、釜液冷却器和产品冷却器等设备。蒸馏过程按操作方式不同，分为连续蒸馏和间歇蒸馏，我们这次所用的就是浮阀式连续精馏塔。蒸馏是物料在塔内的多次部分汽化与多次部分冷凝所实现分离的。热量自塔釜输入，由冷凝器和冷却器中的冷却介质将余热带走。在此过程中，热能利用率很低，有时后可以考虑将余热再利用，在此就不叙述。要保持塔的稳定性，流程中除用泵直接送入塔原料外也可以采用高位槽。塔顶冷凝器可采用全凝器、分凝器-全能器连种不同的设置。在这里准备用全凝器，因为可以准确的控制回流比。此次设计是在常压下操作。 因为这次设计采用间接加热，所以需要再沸器。回流比是精馏操作的重要工艺条件。选择的原则是使设备和操作费用之和最低。在设计时要根据实际需要选定回流比。塔板工艺计算流体力学验算塔负荷性能图全塔热量衡算塔附属设备计算 图1-2 设计思路流程图1、本设计采用连续精馏操作方式。2、常压操作。3、泡点进料。4、间接蒸汽加热。5、选R=2.0Rmin。6、塔顶选用全凝器。7、选用浮阀塔。在此使用浮阀塔，浮阀塔塔板是在泡罩塔板和筛孔塔板的基础上发展起来的，它吸收了两者的优点，其突出优点是可以根据气体的流量自行调节开度，这样就可以避免过多的漏液。另外还具有结构简单，造价低，制造方便，塔板开孔率大，生产能力大等优点。浮阀塔一直成为化工生中主要的传质设备，其多用不锈钢板或合金 。近年来所研究开发出的新型浮阀进一步加强了流体的导向作用和气体的分散作用，使气液两相的流动接触更加有效，可显著提高操作弹性和效率。从苯甲苯的相关物性中可看出它们可近似地看作理想物系。而且浮阀与塔盘板之间的流通面积能随气体负荷的变动而自动调节，因而在较宽的气体负荷范围内，均能保持稳定操作。气体在塔盘板上以水平方向吹出，气液接触时间长，雾沫夹带量少，液面落差也较小。二、浮阀塔结构设计2.1基础物性数据 表1-1 苯、甲苯的粘度温度020406080100120苯0.6380.4850.3810.3080.2550.215甲苯0.7580.580.4590.3730.3110.2640.228 表1-2 苯、甲苯的密度温度020406080100120苯-877.4857.3836.6815.0792.5767.9甲苯885.6867.0848.2829.3810.0790.3770.0 表1-3 苯、甲苯的表面张力温度020406080100120苯 31.6028.8026.2523.7421.2718.8516.49甲苯30.8928.5426.2223.9421.6919.4917.34 表1-4 苯、甲苯的摩尔定比热容温度050100150苯 72.789.7104.8118.1甲苯93.3113.3131.0146.6 表1-5 苯、甲苯的汽化潜热温度20406080100120苯 431.1420.0407.7394.1379.3363.2甲苯 412.7402.1391.0379.4367.1354.22.1.1原料液及塔顶，塔底产品的摩尔分率苯的摩尔质量 MA=78kg/kmol甲苯的摩尔质量 MB=92kg/kmolXF=0.282XD=0.983XW=0.0122.1.2原料液及塔顶，塔底产品的平均摩尔分率 MF=0.28278(10.282)92=88.05 kg/kmol MD=0.98378(10.983)92=78.24 kg/kmol MW=0.01278(10.012)92= 91. 83kg/kmol2.1.3物料衡算 原料处理量 F=141.96kmol/h 总物料衡算 141.96=D+W苯物料衡算 141.960.282=0.983D+0.012W联立解的 D=39.474kmol/h W=102.486kmol/h2.2塔板数的确定2.2.1理论层数NT的求取苯甲苯是理想物系，可以用逐板法求取理论板数。 已知：XF =0.282； XD =0.983； XW =0.012； q=1； 查得苯甲苯的相对挥发度=2.5 由q=1时Xe =XF 1) 操作回流比的确定 =0.495苯甲苯是理想物系,在最小回流比时，精馏段操作线的斜率为 最小回流比 =2.291取操作回流比为 R=1.6Rmin=1.62.291=3.662) 逐板法塔板数的求取相平衡方程 （a）精馏段操作线方程 （b）提馏段操作线方程 代入得 即 （c）泡点进料 q=1 第一块塔板上升蒸汽组成 从第一块板下降的液体组成由式（a）求得 由第二块板上升的气相组成由式（b）求得 由第二块板下降的液体组成 由此反复计算得 = 0.9666 =0.9205 = 0.9336 =0.8490 =0.8775 =0.7413 = 0.7929 =0.6050=0.6859 =0.4662= 0.5770 =0.3530=0.4881 0.2761=0.4277 =0.23010.25因为,从第十一块板上升的气相组成由提馏段操作方程（c）计算 由第十一块板下降的液体组成 由此反复计算得= 0.2701 =0.1289= 0.1963 =0.0890= 0.1316 =0.0572= 0.0821 =0.0345= 0.0467 =0.0192 = 0.0229 =0.00930.01所需总理论板数为17块，第块11加料，精馏段需10块，板提馏段需6块板 2.2.2实际板数Np的求取 全塔效率 =0.544实际塔板数 精馏段塔板数 =18.3819 提留段塔板数 所需实际塔板数为31块，第19块加料，精馏段需18块，提馏段需12块板2.3精馏塔的工艺条件及有关物性数据的的计算2.3.1操作压力的计算塔顶操作压力 PD=101.3kPa每层塔板压降 P=0.8 kPa进料板压力 PF=101.3+0.819=116.5kPa精馏段平均压力 Pm=（101.3+116.5）/2=108.9kPa2.3.2操作温度的计算 由泡点方程通过试差法计算出泡点温度塔顶温度 =82.2进料板温度 =99.5精馏段平均温度 =（82.2+99.5）/2=90.82.3.3平均摩尔质量的计算1) 塔顶摩尔质量的计算由 由上面计算得 0.958 0.98378+（1-0.983）92=78.23kg/kmol 0.95878+（1-0.958）92=78.59kg/kmol2) 进料板平均摩尔质量的计算由以上计算的0.4277 0.2301 0.427778+（1-0.4277）92=86.01 kg/kmol 0.230178+（1-0.2301）92=88.78 kg/kmol3) 精馏段平均摩尔质量（78.23+86.01）/2=82.12kg/kmol （78.59+88.78）/2=83.69 kg/kmol2.3.4平均密度的计算1)气相平均密度的计算由理想气体状态方程计算，即 kg/m32)液相平均密度的计算a)塔顶液相平均密度 由tD=82.2，查手册得812.7 kg/m3 802.9 kg/m3812.502 kg/m3b)进料液相平均密度 由tF=99.5，查手册得812.7 kg/m3 786.7 kg/m3 则进料液相的质量分率 kg/m33)精馏段液相平均密度（812.502+727.466）/2=769.984 kg/m32.4精馏塔的工艺尺寸的计算2.4.1塔径的计算根据液相流量参考课本选取单溢流型塔板，则精馏段的气液相负荷 L=RD=3.6639.474=144.47 V=（R+1）D=(3.66+1)39.474=183.95精馏段的气液相体积流率 =1.42m3/s=0.0041 m3/s由 其中 其中 =0.092取板间距HT=0.6m，板上液层高度hL=0.06m则 HT- hL=0.60-0.06=0.54m查图=0.075 =0.0753带入得 =1.21m/s取设计泛点率为0.75，则空塔气速为 m/s则汽相通过的塔截面积 A=（m2）塔截面积为汽相流通截面积A与降液管面积Ad之和。D= m圆整后为D=1.6m塔截面积2.011m2 实际空塔气速 u=1.42/2.011=0.706m/s2.4.2精馏塔有效高度的计算精馏段有效高度为 （18-1）0.60=10.2m提馏段有效高度为 （12-1）0.60=6.6m在进料板上方开一人孔，其高度为0.8m故精馏塔的有效高度为 10.2+6.6+0.8=18m2.5塔板主要工艺尺寸的计算由于塔径为1600mm,所以选用分块式塔板，塔板结构示意图如图2.1 图2.1单溢流分块式弓型塔板2.5.1降液管的选择与计算1)降液管的选择根据工艺条件，选取使用弓形降液管，又由考虑到塔径为一般塔径，所以选择如下图2.2所示的降液管。图2.2降液管2)降液管主要尺寸的选择由塔经D=1.6m，查资料得以下数据降液管宽度Wd=表2.1塔板的参数 塔经D/mm塔截面积/m2(/)/%/D弓形降液管降液管面积/m2堰长/mm堰宽/mm16002.01110.30.73211712550.2072.5.2溢流堰的选择与计算1)堰长 因/D=0.732，D=1.6 故 =1171m2)堰高选用平直堰，堰上液层高度 E近似为1则 =0.0161m取板上清液层高度83mm故 =0.083-0.0161=0.0669m2.5.3受液盘和底隙根据工艺参数与工艺操作条件选取平行受液盘底隙选为35mm。2.5.4塔盘及其布置1)塔板分块 由于塔经D=1.6m故采用分块式塔板，根据表2.2，塔板分为四块。 表2.2塔径/mm8001200140016001800200022002400塔板分块数34562)边缘区宽度的确定取塔板上液体进、出口安定区宽度m m3)有效传质面积计算传质面积 其中 =0.1913=0. 75故 =0.206m 24)浮阀数及其排列浮阀数 由工艺和物料操作特点选取F1重型浮阀如图2.3所示，阀孔直径d0=0.039m图2.3初选阀孔动能因子F0=11，计算阀孔气速=6.40m/s浮阀个数 =185.83186浮阀排列方式开孔所占面积 =0.222m2采用等腰三角形叉排，计算孔心距由开孔区内阀孔所占面积分数解得 其中 =0.3134m根据估算提供孔心距t进行布孔，并按实际可能的情况进行调整来确定浮阀的实际个数n，按t=300mm进行布孔，实际阀数n=120 如图2.4所示图2.4 开孔区内 重新计算塔板以下参数阀孔气速 =9.91 m/s动能因子 =17塔板开孔率 =0.13由于物料的腐蚀性较小，故塔板材料选Q235，通常，钢板的厚度为34mm，不锈钢塔板的厚度是22.5mm。所以塔板厚度去=3mm三、塔板流动性能校核3.1液沫夹带量校核为控制液沫夹带量过大，应使泛点。由 其中CF由塔板上气相密度v及塔板间距HT，查图的系数CF=0.16根据表5-11所提供数据，本物系参数K值可选取1，带入可得 =0.625所得泛点率低于0.8，故不会产生过量的液沫夹带3.2塔板阻力hf的计算1)干板阻力ho临界气速 =5.79,故不会发生液泛。3.4液体在降液管内的停留时间必须保证液体在降液管内的停留时间必须大于3-5s才能保证液体所夹带气体的释出 =21.65855故所夹带气体可以释出。3.5严重漏夜校核当阀孔的动能因子低于5时将发生严重漏夜，故漏夜点的孔速可取5的相应孔流气速=2.907m/s稳定系数 =3.41.5故不会发生严重漏夜3.6塔板负荷性能图3.6.1过量液沫夹带线关系式根据资料一般的大塔，F10.8-0.82,另F1=0.8则根据前面计算液沫夹带的式子可以整理出 即 此为一线性方程，在图上表示过量液沫夹带线（1）3.6.2液相下限线关系式对于平直堰，其堰上液头高度how必须要大于0.006，取how=0.006，即可确定液相流的下限线 该线是垂直于Lh轴的直线，在图上表示（2）3.6.3严重漏夜线关系式因为动能因子小于5时发生严重漏夜，故取Fo=5，计算相应的气相流率 =7920.072该线是平行于Lh轴的直线，为漏夜线，在图上表示（3）3.6.4液相上限线关系式 当t=5s时，降液的最大流量是 = =4550.688该线是平行于Vh轴的直线，在图上表示（4）3.6.5降液管液泛线关系式根据降液管液泛的条件，得以下降液管液泛工况下的关系 为避免降液管液泛的发生，应使 整理得 其中 分别带入可整理得： 将前面的计算结果带入上式的： =0.196计算降液管上液泛线上点得如下表3.1表3.1Ls(m2/h)102030405060Vs(m2/h)352.3681346.5938333.7652321.483299.8364278.7567由图表数据做出降液管的液泛线，记做线（5）将以上的各条线绘制在同一个直角坐标系中得塔板负荷性能图因为设计压力P=0.11Mpa,属于低压化工设备，一类容器；塔内物料苯和甲苯对钢材的腐蚀性较轻微，故塔体和封头材料选用低合金钢板16MnR。 四、浮阀塔载荷分析及强度校核4.1筒体和封头厚度计算根据设计压力和液柱静压力确定计算压力塔内液柱高度仅考虑塔底至液封盘液面高度=2.34m，液柱静压力=，可忽略。P=(1.05-1.10) =(1.05-1.10) 0.1013=（0.108-0.113）MPa 取p=0.11MPa计算压力低压容器的圆筒厚度计算式为：查【5】表D1钢板许用应力在设计温度为150时，16MnR的许用应力为=170，查【5】表4-3 钢制压力容器的焊接接头系数值，在制造中采用双面焊对接接头和相当于双面焊的全熔透对接接头，故焊接接头系数值取0.85。将、 值代入上式得mm圆筒设计厚度式中 为腐蚀裕量，在无特殊腐蚀情况下，对于碳素钢和低合金钢，不小于1mm，故取=2mm。为钢材负偏差，使用中钢板厚度超过5mm时（如20R、16MnR和16MnDR等）可取=0，故=2+0=2mm圆筒设计厚度根据刚度要求，筒体所需最小厚度 =3.2 ； 且 不小于3 ，故按刚度条件，筒体厚度仅需4 ；考虑到此塔较高，风载荷较大，而塔的内径不太大，故应适当增加厚度，现假设塔体厚度12，刚假设的塔体有效厚度 C1C212-0-210 ；圆整并根据【4】附表4-1所以取圆筒名义厚度为=12mm,则圆筒有效厚度=-=封头厚度计算公式为：封头设计厚度=+=0.605+mm封头名义厚度与圆筒一样，取为12mm封头有效厚度=-=4.2载荷分析4.2.1塔设备质量载荷计算质量载荷示意如图4.1塔设备的操作质量:塔设备的最大质量:塔设备的最小质量 图4.1 :塔体总质量1)筒体质量塔板总间距=(塔板总数N-1)HT=30600=18000mm筒体顶部空间高度（即第一块塔板到上封头切线处距离）取为1200mm；筒体底部空间高度（即最后一块塔板到下封头切线处距离）取为3000mm;筒体总高H=18000+4800+1200+3000=25400mm=25.4m。查【4】附表4-1得一米高筒节理论质量为199筒体质量=19925.4=5054.62)封头质量查【4】附表4-3得公称直径为1600mm厚度为8mm的椭圆封头的质量为229.63，查【4】附表4-2 以内径为公称直径的椭圆封头的型式和尺寸得曲边高度为400mm封头质量=2229.63=459.263)裙座质量取裙座高度为3060mm，裙座材料选Q235-A，一米高裙座理论质量为199裙座质量=1993.06=608.94所以塔体总质量=筒体质量+封头质量+裙座质量 即=+=5054.6+459.26+608.94=6123塔段内件质量：查【4】表5-4 塔设备部分零件质量载荷估算表得 浮阀塔塔盘质量载荷为75所以 保温层质量：取保温层厚度为=100mm查【4】表5-4 塔设备部分零件质量载荷估算表得 保温层质量载荷为300，查【4】附表4-2 以内径为公称直径的椭圆封头的型式和尺寸 得封头的容积为0.5864,以保温层外径为内径的椭圆型封头的容积为0.8652。所以=式中 为封头保温层质量平台、扶梯质量（）：查【4】表5-4 塔设备部分零件质量载荷估算表得 平台质量，笼式扶梯质量塔设备总高=筒体总高+单个封头曲边高度+裙座高度=25400+400+3060=28860mm=28.86m塔设备总高取为29m, 笼式扶梯总高取为HF=28m，平台数量n取4则=3428操作时塔内物料质量（）：查【4】附表4-2 得封头容积=0.5864m3 则=6595人孔、接管、法兰等附件质量，按经验取附件质量为=0.25=0.256123=1531充液质量=52213塔设备的操作质量=6123+4872+4295+3428+6595+1531=26844塔设备的最大质量=6123+4872+4295+3428+52213+1531=72462塔设备的最小质量=6123+0.24872+4295+3428+1531=163514.2.2自振周期的计算分析塔设备的振动时，一般情况下不考虑平台及外部接管的限制作用以及地基变形的影响，而将塔设备看成是顶端自由，底部刚性固定，质量沿高度连续分布的悬臂梁，其基本震型的自振周期按【5】 （7-5）式第一振型计算式：其中为塔单位高度上的质量即所以=4.2.3地震载荷与地震弯矩的计算当发生地震时，塔设备作为悬臂梁，在地震载荷作用下产生弯曲变形。安装在七度或七度以上地震烈度地区的塔设备必须考虑它的抗震能力，计算出它的地震载荷。其计算示意图如图4.2 图4.2首先，选取计算截面（包括危险截面）。该课题中将全塔分为5段。其计算截面分别为0-0、1-1、2-2、3-3、4-4，其中0-0、1-1、2-2为危险截面。由【5】表7-9取第二组类场地土的特性周期为=0.3由【4】7-10取设防烈度为7时地震影响系数最大值为=0.23。地震影响系数根据场地土的特性周期及塔的自振周期由分析设计方法确定 且不得小于=0.230.2=0.046即=0.052设等直径、等壁厚塔设备的任意截面距地面的高度为，基本振型在截面处产生的地震弯矩为式中为塔单位高度上的质量即当塔设备H/D15时，还需考虑高振型的影响，这时应根据第一、二、三振型，分别计算其水平地震力及地震弯矩。然后根据振型组合的方法确定作用于质点处的最大地震力及地震弯矩。这样的计算方法很复杂，所以在进行稳定和其他验算时，可按一种简化的由第一振型的计算结果估算地震弯矩的近似算法即计算由此可得底截面处地震弯矩=1.250.50.052268449.8129000=1.13截面1-1处地震弯矩 2.83截面2-2处地震弯矩 =2.374.2.4风载荷与风弯矩的计算各计算段的外径均为=1600+212=1624mm塔顶管线外径：塔顶管线是气体的出口，已知设计压力： 0.11MPa设计温度： 150 气体密度： 2.956kg/m3气体流量： 0.0041 m3/s 图4.3计算示意图如图4.3由气体状态方程可计算出设计温度和设计压力下的气体流量 即：求得=0.025 m3/s操作气速为=1.21m/s则，塔顶管线外径=385.38mm,圆整后取=400mm第段保温层厚度已知为100取管线保温层厚度=100mm笼式扶梯当量宽度=400取各段平台构件的投影面积 为，操作平台当量宽度塔设备迎风面的有效直径是该段所有受风构件迎风面的宽度总和。当笼式扶梯与塔顶管线布置成180时当笼式扶梯与塔顶管线布置成90时,取下列两式中的较大值风压高度变化系数可根据各计算段顶截面距地面高度查【5】7-5。体型系数 风压在不同体型的结构表面分布亦不相同，对细长的圆柱形塔体结构，体型系数=0.7.风振系数 风振系数是考虑风载荷的脉动性质和塔体的动力特性的折算系数。对塔高的塔设备，取1.70。而对于塔高时，则按下式计算已求出塔设备自振周期，查【6】表17-2，近似取衡阳地区基本风压值为350=400=998.56假设土地粗糙度类别为B类，则由值查【5】表7-6得脉动增大系数=2.53，查表7-7得，脉动影响系数分别为=0.72，=0.72，=0.72，=0.79=0.82第段振型系数可根据/查7-8得到各计算段的水平风力将以上讨论数据整理如表4.1表4.1风载荷与风弯矩的计算计算内容数据011223344顶各计算段的外径()1624塔顶管线外径()400第段保温层厚度()100管线保温层厚度()100笼式扶梯当量宽度400各计算段长度()100020007000100009000操作平台所在计算段长度()100020007000100009000平台数00121操作平台当量宽度00257.1360200各计算段的有效直径()2224222424812584242424242424268127842624各计算段顶截面距地面高度()13102029风压高度变化系数1.001.001.001.251.42体型系数0.7风振系数1.041.091.691.942.46塔设备自振周期()1.58400998.56脉动增大系数2.53脉动影响系数0.720.720.720.790.820.0530.1580.5260.6891第段振型系数0.020.050.380.591.00各计算段的水平风力679149388001890323099塔设备任意截面处的风弯矩按下式计算：塔设备底截面的风弯矩为+ 代入数值得=679+1493（）+8800（）+18903（）+23099（1000+2000+7000+10000+）=9.101-1截面的风弯矩为 +代入数值的得=1493（）+8800（）+18903（）+23099（2000+7000+10000+）=8.632-2截面的风弯矩为+ 带入数值得=8800（）+18903（）+23099（7000+10000+）=7.58偏心弯矩该塔设备中无再沸器，故偏心弯矩为04.2.5最大弯矩最大弯矩取和两者中的较大值计算数据如表4.2表4.2最大弯矩选择计算内容计算公式及数据00截面11截面22截面9.10 8.637.583.414.984.27最大弯矩9.108.637.584.3强度校核4.3.1圆筒轴向力校核和圆筒稳定性校核由设计压力引起的轴向应力=4.4此应力只存在于筒体，裙座上由设计压力引起的轴向力为0操作质量引起的轴向应力=5.24最大弯矩引起的轴向应力，由此式可计算出：0-0截面上最大弯矩引起的轴向应力72.41-1截面上最大弯矩引起的轴向应力68.72-2截面上最大弯矩引起的轴向应力60.4查【5】附表D1的设计温度下16MnR的许用应力为170，Q235的许用应力为113载荷组合系数等于1.2系数=0.001175根据A值查【5】图4-7得16MnR在设计温度下的系数B=118，Q235在设计温度下的系数B=93，许用轴向压应力取KB和K中较小值对内压容器圆筒最大组合压应力，最大组合拉应力K就满足要求数据整理如表4.3表4.3圆筒组合应力计算及校核计算内容计算数据001122KB 111.6111.6141.6K 135.6135.6204 135.6135.6204圆筒最大组合压应力（）77.6473.9465.64满足要求圆筒最大组合拉应力（）71.5667.8659.56K满足要求4.3.2塔设备压力试验时的应力校核进行压力试验时，试验压力=1.250.11=0.1375查过程设备设计第二版附表D1得 筒体常温屈服点=3452-2截面=0.91.2345=372.62-2截面=1.2118=141.6筒体的许用轴向压应力取及中较小值即=141.6由试验压力引起的周向应力当试验介质为水时，=0.001，单位转换成的液柱静压力为，式中为2900，所以=0.296