浮阀塔设计计算说明书.doc

山东大学课 程 设 计（说明书）设计(论文)题目：乙醇-水连续精馏浮阀塔设计说明书.姓 名 学 院 机械工程学院 专 业 过程装备与控制工程 年 级 2009级过控班 指导教师 唐委校 宋清华 2013 年1月15日山东大学课程设计（论文）成绩评定表学院：机械工程学院 专业：过程装备与控制工程 年级：09级姓 名胡芳荣设计（论文）成绩设计（论文）题目乙醇-水连续精馏浮阀塔设计指 导 教 师 评 语评定成绩： 签名： 年 月 日评 阅 人 评 语评定成绩： 签名： 年 月 日答 辩 小 组 评 语 答辩成绩： 组长签名： 年 月 日目录摘要IAbstractI第1章 浮阀塔国内外研究现状及应用11.1 浮阀塔研究现状11.1.1 应用领域和应用现状11.1.2 国内外研究现状11.2 本文涉及的内容、目的以及意义11.2.1 本文涉及的内容11.2.2 本文的目的11.2.3 本文的意义2第2章 概述22.1 设计概述22.2 设计选材22.3 本章小结33.1总体形式4第3章 校核计算43.1总体形式43.2塔体结构设计43.2.1全塔高H估算43.2.2筒体、封头厚度53.2.3载荷分析63.2.4 筒体强度与稳定性校核123.2.5 筒体压力试验时的强度与稳定性校核133.3裙座的强度与稳定性校核133.3.1裙座筒体应力校核133.3.2基础环设计153.3.3地脚螺栓设计163.3.4筋板163.3.5盖板（环形盖板加垫板结构）173.3.6裙座与塔壳对接焊缝校核173.4开孔与开孔补强设计173.4.1气体出口补强设计183.4.2气体入口补强设计193.4.3 液体出口补强设计213.4.4人孔补强22第4章 塔设备附件选择及计算234.1塔附件数据汇总234.2 自身梁式塔盘板设计计算244.2.1 塔盘及其尺寸选择如图244.2.2 塔盘的设计载荷254.2.3塔盘板自身梁校核25摘要筛板塔是传质过程常用的塔设备，在化工，石油，能源等行业的应用中处于板式塔应用的重要地位。本次论文以介质的性质、温度和压强，以及公称直径和当地自然环境为设计条件，综合考虑各方面的因素选定板式筛板塔，具体步骤主要包括壳体、封头壁厚的设计与较核，基础环板，裙座等零部件的设计关键词： 精馏;吸收;浮阀塔;塔板;AbstractThe plate column is an equipment in which liquid and mass contacted with each other and transferred progressively. Several layers of horizontal tower plate are placed in a cylindrical shell at a certain distance. There are many sieves on the tower plates. Each layer of the tower plate is equipped with a down comer. Gas and liquid phases contact with each other gradually within the tower plates. The composition of the two phases goes through a ladder-type change along the tower. As the gas velocity in the empty tower of the plate tower is high, the plate tower has large production capacity, stable power, low cost and is easy to maintain and clean.Keyword：distillation;absorption;float valve column;column plates; 第1章 浮阀塔国内外研究现状及应用1.1 浮阀塔研究现状1.1.1 应用领域和应用现状 浮阀塔是20世纪50年代开发的一种新塔型，其特点是在筛板塔基础上，在每个筛孔除安装一个可上下移动的阀片。当筛孔气速高时，阀片被顶起上升，空速低时，阀片因自身重而下降。阀片升降位置随气流量大小自动调节，从而使进入夜层的气速基本稳定。又因气体在阀片下侧水平方向进入液层，既减少液沫夹带量，又延长气液接触时间，故收到很好的传质效果。浮阀塔结构简单，制造费用便宜，并能适应常用的物料状况，是化工、炼油行业中使用最广泛的塔型之一。1.1.2 国内外研究现状 浮阀塔作为化工、炼油行业中广泛应用的塔型之一，得到全世界的认可。无论是中国还是国外，大型化工行业都对浮阀塔做了很多的研究。随着对浮阀塔等一系列板式塔的研究，逐渐对塔进行结构和技术操作上的改造，让塔的效率和制造成本得到了降低，同时，更加新型的塔设备也在孕育之中。1.2 本文涉及的内容、目的以及意义1.2.1 本文涉及的内容 本文主要内容是对乙醇-水分离设备浮阀塔的设计。在已知的条件和数据之下，计算塔高、壁厚，然后进行各种校核：风载荷校核、地震载荷校核、筒体应力校核、补强等。对塔盘的设计和计算式非常关键的一步，也是整个塔设计中最复杂的一步。最后是选择标准件，比如吊住，除沫器等等，根据已有的标准进行选择，最后进行塔体的整合，形成完整的浮阀塔。1.2.2 本文的目的 通过对塔设备的涉及，对过程装备设计课程有更加深入的理解和认知，同时也将课堂知识运用到实际设计问题中来。1.2.3 本文的意义 化工原理课程设计是培养学生化工设计能力的重要教学环节，通过课程设计使我们初步掌握化工设计的基础知识、设计原则及方法；学会各种手册的使用方法及物理性质、化学性质的查找方法和技巧；掌握各种结果的校核，能画出工艺流程、塔板结构等图形。在设计过程中不仅要考虑理论上的可行性，还要考虑生产上的安全性、经济合理性。在设计过程中应考虑到设计的业精馏塔具有较大的生产能力满足工艺要求，另外还要有一定的潜力。节省能源，综合利用余热。经济合理，冷却水进出口温度的高低，一方面影响到冷却水用量。另一方面影响到所需传热面积的大小。即对操作费用和设备费用均有影响，因此设计是否合理的利用热能R等直接关系到生产过程的经济问题。第2章 概述2.1 设计概述 整个设计过程大略如下：全塔高H估算塔顶空间高度HD计算塔釜空间高度HB计算加料板板间距HF，计算人孔布置筒体、封头厚度计算质量载荷分析自振周期计算风载荷与风弯矩计算地震载荷与地震弯矩计算筒体强度与稳定性校核基础环设计地脚螺栓设计各种补强。通过“计算、校核”两大核心步骤，让所有部件都得到相应的计算，标准件直接选取。2.2 设计选材操作压力MPa0.84介质水，乙醇设计压力MPa0.9介质特性易燃 中度危害操作温度 200压力容器类别I类（D1）设计温度 120地震基本烈度8设计风压N/350地震分组第一组焊接接头系数0.85/1.0场土地类别壳体材料16MnR场地土粗糙类别B裙座材料Q235AF保温层材料与厚度mm岩棉/100腐蚀裕量mm2mm平均压力MPa0.810.822.3 本章小结 塔设计的过程其实在已有的资料中已经非常详细了，但是每每在自己做的过程中却会出现这样那样的小错误，比如字母标号，公式混杂，符号混淆等等。还有个重要问题就是，在处理数据的时候会用到很多的标准，即便能查到这些标准，但是不确定标准是不是最新的。计算名称计算过程计算结果3.1总体形式 3.2.1全塔高H估算塔顶空间高度HD塔釜空间高度HB加料板板间距HF全塔高筒体厚度封头厚度3.2.3载荷分析筒体、封头、裙座质量塔内件质保温层质量操作平台及扶梯质操作时物料的质量塔附件质量充水质量偏心质量正常操作时的质量水压试验时的最大质量裙座底部截面0-0的风弯矩筒体与裙座连接处截面-的风弯矩3.2.3.4地震载荷与地震弯矩计算水平地震力0-0截面的垂直地震力：截面0-0处的地震弯矩截面-处的地震弯矩截面-处的地震弯矩截面0-0处的最大弯矩截面-处的最大弯矩截面-处的最大弯矩筒体轴向应力筒体稳定性校核筒体拉应力校核筒体压力试验时的强度与稳定性校核轴向压应力校核许用轴向压应力轴向拉应力校核3.3裙座的强度与稳定性校核裙座筒体应力校核截面0-0在压力试验工况下截面0-0在压力试验工况下截面0-0在正常操作工况下截面-在压力试验工况下基础环设计截面系数截面积混凝土基础上的最大压应力基础环厚度地脚螺栓承受的最大拉应力筋板筋板压应力环形盖板的最大压应力对接焊缝截面J-J处的拉应力开孔直径所需最小补强面积A有效宽度外侧高内侧高度有效补强面积Ae接管计算厚度有效补强区内焊缝金属的截面积所需另行补强面积补强圈厚度开孔直径所需最小补强面积有效宽度外侧高度内侧高度有效补强面积接管计算厚度有效补强区内焊缝金属的截面积开孔直径所需最小补强面积有效宽度外侧高度内伸高度有效补强面积接管计算厚度有效补强区内焊缝金属的截面积补强圈厚度第3章 校核计算3.1总体形式3.2塔体结构设计3.2.1全塔高H估算（1）塔顶空间高度HD取塔顶空间高度为HD1300mm（2） 塔釜空间高度HB取最后一块塔盘距塔釜液面间距为1400mm，则塔釜空间高度为140020004003000mm（3） 加料板板间距HF取加料板板间距为450mm（4）人孔布置在塔顶空间布置一人孔，塔釜空间布置一人孔，精馏段、提馏段各布置一人孔。全塔高筒体高3.2.2筒体、封头厚度13.2.2.1筒体厚度筒体材料选取16MnR，设计温度t120，设计压力pc0.9MPa假设筒体壁厚为3 16mm，则t189MPa， 189MPa，ReL345MPa焊接接头系数0.85按刚度要求，筒体所需最小厚度为加上钢板负偏差C10.3mm，腐蚀裕量C22mm2，并圆整为n8mm3.2.2.2封头厚度封头材料选取16MnR，设计温度t120，设计压力pc0.9MPa，t189MPa加上钢板负偏差C10.3mm，腐蚀裕量C22mm,并圆整为n8mm3.2.3载荷分析33.2.3.1质量载荷分析（1）筒体、封头、裙座质量m01查得DN1200mm，直边高度25mm的封头质量m178.6kg4筒体质量裙座质量（2）塔内件质量m02（3）保温层质量m03（4）操作平台及扶梯质量m04平台质量离地面2m高度以下采用开式直线扶梯，2m以上采用笼式直线扶梯扶梯质量（5）操作时物料的质量m05（6）塔附件质量mama3500kg（7）充水质量mw（8）偏心质量meme1300kg正常操作时的质量水压试验时的最大质量停工检修时的最小质量3.2.3.2自振周期3.2.3.3风载荷与风弯矩计算（1） 风力计算 等直径等厚度塔可简化为如图所示的悬臂梁模型。 基本风压350N/m2 风压高度变化系数场地粗糙度类别为B类， 体形系数K1=0.7 风振系数K2iH=17.2m20m，故K2i=1.70 塔设备迎风面的有效直径Dei将笼式扶梯与塔顶管线布置成90，每个塔段均设有一个操作平台， 取两者中的较大值 计算结果汇总如下塔段号1234截面0-0-塔段长度，m040.9424488131317.2q0，N/m2350K10.7K2i1.70fi1.001.001.141.25li，m43.12454.55Dei，m3.0983.6962.9663.0205161.26369222016157.5367041.437153.91（2）风弯矩计算裙座底部截面0-0的风弯矩：在裙座上离基础环900mm处设置450mm的通道口，该出截面-的风弯矩：筒体与裙座连接处截面-的风弯矩：3.2.3.4地震载荷与地震弯矩计算（1）水平地震力场地类型类，设计地震分组为第一组5，查得：特性周期Tg=0.35s，故：塔的阻尼比为0.010.03，取为=0.02地震烈度8度，查得：（2）垂直地震力将塔沿高度方向分为4段，各段高度之间的质量为作用在该塔段高度处的集中质量。0-0截面的垂直地震力：塔段1234mi，kg1289.41181575.94811461.43910816.733li，m0.91.187.55hi，m0.451.45613.775mihi，kgm580.2352285.12468768.643149000.498，kgm2.206 105，N50.5528199.0915991.45012981.628（3）地震弯矩截面0-0处的地震弯矩：截面-处的地震弯矩：截面-处的地震弯矩：，故仅考虑第一振型。3.2.3.5偏心弯矩取偏心距e=1.5m3.2.3.6最大弯矩截面0-0处的最大弯矩： 取二者中的较大值，（地震弯矩控制）截面-处的最大弯矩： 取二者中的较大值，（地震弯矩控制）截面-处的最大弯矩： 取二者中的较大值，（地震弯矩控制）3.2.4 筒体强度与稳定性校核（1）筒体轴向应力（2）筒体稳定性校核由材料厚度计算图查得：B=72MPa许用轴向压应力 取较小值所以塔体截面-满足抗压强度及轴向稳定条件。（3）筒体拉应力校核许用轴向拉应力所以满足抗拉强度条件。3.2.5 筒体压力试验时的强度与稳定性校核（1）（2） 轴向压应力校核许用轴向压应力 取较小值筒体在压力试验时满足抗压强度及轴向稳定条件。（3） 轴向拉应力校核筒体在压力试验时满足抗拉强度要求。3.3裙座的强度与稳定性校核3.3.1裙座筒体应力校核（1）截面0-0在正常操作工况下裙座材料选用Q235A，=113MPa 取小者 所以裙座筒体截面0-0满足抗压强度及轴向稳定条件。（2）截面0-0在压力试验工况下许用轴向压应力取较小值c所以裙座筒体截面0-0在压力试验时满足抗压强度要求。（3）截面-在正常操作工况下裙座通道口截面示意图观察孔lm=250mm，bm=450mm，m=10mm 所以裙座上通道口处截面-满足抗压强度及轴向稳定条件。（4）截面-在压力试验工况下所以裙座上通道口处截面-在压力试验时满足抗压强度要求。3.3.2基础环设计基础环内径外径采用Q235A有筋板基础环，取16块筋板。截面系数截面积混凝土基础上的最大压应力 取两者中的较大值，查得：基础环厚度经圆整取：3.3.3地脚螺栓设计地脚螺栓承受的最大拉应力按下式计算取两者较大值，采用16个地脚螺栓，材料Q235 查表可得螺纹小径取地脚螺栓M27，16个。63.3.4筋板 选取Q235 查得=140MP故筋板压应力3.3.5盖板（环形盖板加垫板结构）差结构表得取，环形盖板的最大压应力为将尺寸调整为 所以的盖板 3.3.6裙座与塔壳对接焊缝校核对接焊缝截面J-J处的拉应力所以对接焊缝处验算合格。3.4开孔与开孔补强设计根据GB 150，当在设计压力小于或等于2.5MPa的壳体上开孔，两相邻开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）大于两开孔直径之和的两倍，且接管公称外径小于或等于89mm时，只要接管最小厚度满足表要求，就可不另行补强。表 不另行补强的接管最小厚度 mm接管公称外径 25 32 38 45 48 57 65 76 89最小厚度 3.5 4.0 5.0 6.0由以上规定可知，气体出口、气体入口、液体出口及人孔处需要进行开孔补强设计。3.4.1气体出口补强设计（1） 选取接管材料20钢，接管规格为3554.5mm7，取厚度附加量C=2mm。4开孔直径满足等面积补强法的适用条件，故可用等面积补强法进行补强。（2） 所需最小补强面积A（3） 有效补强范围取两者较大值，有效宽度B=650mm取实际外伸高度h1=200mm取两者较小值，外侧高度h1=50.99mm取实际内伸高度h2=0取两者较小值，内侧高度h2=0mm（4） 有效补强面积Ae壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积A1接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积A2接管计算厚度有效补强区内焊缝金属的截面积A3故需另行补强（5）所需另行补强面积A4，采用补强圈进行补强（6）补强圈设计根据接管公称直径DN350选补强圈，选取补强圈外径D2=620mm，内径，因B=650mmD2，补强圈在有效补强范围内。8补强圈厚度按标准取名义厚度。3.4.2气体入口补强设计（1）选取接管材料20钢，接管规格为53018mm，取厚度附加量C=3mm。开孔直径满足等面积补强法的适用条件，故可用等面积补强法进行补强。（2） 所需最小补强面积A（3）有效补强范围取两者较大值，有效宽度B=1000mm取实际外伸高度h1=200mm取两者较小值，外侧高度h1=94.9mm取实际内伸高度h2=0取两者较小值，内侧高度h2=0mm（4） 有效补强面积Ae壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积A1接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积A2接管计算厚度有效补强区内焊缝金属的截面积A3故不需另行补强3.4.3 液体出口补强设计（1） 选取接管材料20钢，接管规格为27313mm，取厚度附加量C=2mm。开孔直径满足等面积补强法的适用条件，故可用等面积补强法进行补强。（2）所需最小补强面积A（3）有效补强范围取两者较大值，有效宽度B=502mm取实际外伸高度h1=200mm取两者较小值，外侧高度h1=57.123mm取实际内伸高度h2=0取两者较小值，内侧高度h2=0mm（4） 有效补强面积Ae壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积A1接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积A2接管计算厚度 有效补强区内焊缝金属的截面积A3故需另行补强（5） 所需另行补强面积A4，采用补强圈进行补强（6） 补强圈设计根据接管公称直径DN250选补强圈，参照JB/T4736-2002选取补强圈外径D2=480mm，内径，因B=502mmD2，补强圈在有效补强范围内。补强圈厚度按标准取名义厚度3.4.4人孔补强选取接管材料20钢，接管规格为53018mm，取厚度附加量C=3mm。补强同气体入口补强。HD1300mmHB=3000mmHF=450mm me1300kgB=72MPae取地脚螺栓M27，16个B=650mmh1=50.99mmh2=0mmB=1000mmh1=94.9mmh2=0mmB=502mmh1=57.123mmh2=0第4章 塔设备附件选择及计算4.1塔附件数据汇总9名称选取尺寸选取标准数量材料装配图中标号补强圈=4mmHG/T20652-1998116MnR33,32,13,6,排气孔2组合件31法兰P1.6 DN25GB/T9113-2000216MnR23法兰P1.6 DN27GB/T9119-2000216MnR10法兰P1.6 DN50GB/T9113-2000116MnR18法兰P1.6 DN80GB/T9113-2000216MnR27法兰P1.6 DN100GB/T9113-2000116MnR30法兰P1.6 DN300GB/T9119-2000116MnR25法兰P1.6 DN400GB/T9113-2000116MnR12接管P1.6 DN32GB/T17395-199812029接管PN1.6 DN50GB/T17395-1998116MnR28接管DN80GB/T17395-199822026接管DN25GB/T17395-199822022除沫器DN700HG/T21618-19981组合件21接管DN400GB/T17395-19982011接管DN27GB/T17395-19982209筒体DN1600116MnR8检查孔DN450116MnR5基础环=22mmJB/T4710-20051Q235AF14.2 自身梁式塔盘板设计计算10计算过程计算结果4.2.2 塔盘的设计载荷4.2.2.1 塔盘自身质量均布载荷i4.2.2.2 塔盘上承受均布载荷 n-塔板数4.2.2.3 由堆积物等引起的集中载荷DN2000的塔中，P=1350NY4.2.3塔盘板自身梁校核X将此塔盘板作为一个形状如图A-A、跨度为l1的简支梁计算，校核操作条件下的应力及挠度，以及安装检修条件下的应力。为便于计算，将截面A-A简化成为A-A,即梁的截面由，四个矩形断面组合而成（不考虑塔盘开孔的影响）。（1） 确定截面A-A的中性轴位置，先选择如图的辅助坐标轴y、z,可算得下表所列数据：图形面积，形心至y轴距离，cm静矩Sy,14.88.2121.361.647,812.7923.24.012.8总和利用表中计算结果，求出截面A-A的中性轴y距轴y的距离：图形形心至y轴距离，cm面积，各截面对于与y轴平行的自身中性轴的惯性矩0.71814.87.6290.1970.3181.640.1660.0219-3.4823.238.79817.0667总和（2） 截面A-A对轴y的组合惯性矩列表如上： 利用上表的计算结果，由惯性矩平行轴原理求得组合惯性矩：（3） 在操作条件下： 载荷集度： 塔盘中心处承受最大弯矩和最大应力以及最大挠度根据GBJ17-88，取16MnR ， （4） 检修条件下，塔盘在任意点承受1350N的集中载荷。塔盘板的受载如图： 集中载荷：P=1350N 集中载荷：Q=759.80.4151.28=390.432N 载荷集度：q=3.05N ， 故塔盘板符合要求。P=1350NQ=390.43Nq=3.05N结论 此次课程设计我们主要的任务是对他设备的各个部件进行设计和校核，在结构上，我们分别对塔盘结构，塔体空间，人孔数量及位置，仪表接管选择，工艺接管管径计算等方