分离苯——甲苯工艺设计.doc

分离苯-甲苯混合液的浮阀板式精馏塔工艺设计化学与环境工程学院分离苯-甲苯混合液的浮阀板式精馏塔工艺设计专 业： 化学工程与工艺 学 号： 040840221 姓 名： 张 明 指导教师： 谭志斗 周红艳 日 期： 二零一一年四月十六日 目 录Context第一章 前言 1.1苯和甲苯在工业中的用途 1.2精馏原理及其在工业生产中的应用 1.3精馏操作的特点及其对塔设备的要求 1.4常用板式塔的类型及本设计的选型 1.5本设计所选塔的特性 1.6相关物性参数说明第二章 设计题目及设计任务书第三章 工艺条件的确定和说明 3.1确定操作压力 3.2确定进料状态 3.3确定加热剂和加热方式 3.4确定冷却剂及其进出口温度第四章 流程的确定和说明 4.1流程 4.2流程说明第五章精馏塔的设计计算 5.1全塔的物料衡算 5.1.1料液及塔顶底产品含苯的摩尔分率 5.1.2料液及塔顶底产品平均摩尔质量 5.1.3料液及塔顶底产品摩尔流率 5.2回流比的确定 5.3塔板数的确定 5.4气液负荷计算 5.4.1平均压强 5.4.2平均分子量 5.4.3液体的平均粘度 5.4.4液体的平均密度5.4.5体积流量 5.5 精馏塔的塔体工艺尺寸计算 5.5.1 塔径的计算 5.5.2精馏塔有效高度的计算 5.6 塔板工艺结构尺寸的设计与计算 5.6.1溢流装置计算 5.7 浮阀的布置5.7.1 阀孔速度5.7.2 开孔率5.7.3 阀孔总面积5.7.4 浮阀总数5.7.5 塔板上布置浮阀的有效操作面积5.7.6 浮阀的排列 5.8 塔板流动性能校核5.8.1液沫夹带量校核5.8.2 塔板阻力校核5.8.3 降液管液泛校核 5.8.4 液体在降液管中停留时间校核5.8.5严重漏液校核 5.9 塔板负荷性能图5.9.1漏液线5.9.2 液沫夹带线 5.9.3 液相负荷下限线5.9.4 液相负荷上限线 5.9.5液泛线5.9.6塔板性能负荷图5.9.7浮阀塔的工艺设计计算结果总表第六章 塔的机械设计 6.1、设计条件6.2、按计算压力计算塔体和封头厚度6.3、塔设备质量载荷计算6.4、风载荷和风弯矩计算6.5、地震弯矩计算6.6、各种载荷引起的轴向应力6.7、塔体和裙座危险截面的强度及稳定校核 6.8、塔体水压试验和吊装时的应力校核6.9、基础环设计6.10、地脚栓设计第七章 设计结果的讨论及说明第八章 参考文献第九章 课程设计总结致谢中文摘要：目前用于气液分离的传质设备主要采用板式塔，对于二元混合物的分离，应采用连续精馏过程。浮阀塔在操作弹性、塔板效率、压降、生产能力以及设备造价等方面都比较优越。其主要特点是在塔板的开孔上装有可浮动的浮阀，气流从浮阀周边以稳定的速度水平进入塔板上液层进行两相接触，浮阀可根据气体流量的大小上下浮动，自行调节。其中精馏塔的工艺设计计算包括塔高、塔径、塔板各部分尺寸的设计计算，塔板的布置，塔板流体力学性能的校核及绘出塔板的性能负荷图。关键词： 气液传质分离 精馏 浮阀塔Abstract: Currently，the main transferring equipment that used for gas-liquid separation is tray column. For the separation of binary, we should use a continuous process. The advantages of the float value tower lie in the flexibility of operation, efficiency of the operation, pressure drop, producing capacity, and equipment costs. Its main feature is that there is a floating valve on the hole of the plate, then the air can come into the tray plate at a steady rate and make contract with the level of liquid, so that the flow valve can fluctuate and control itself according to the size of the air. The calculations of the distillation designing include the calculation of the tower height, the tower diameter, the size of various parts of the tray and the arrangement of the tray, and the check of the hydrodynamics performance of the tray. And then draw the dray load map. Key words：gas-liquid mass transfer rectification valve tower第一章 前 言 1.1苯、甲苯在工业中的用途 1.苯在工业中的用途 我国纯苯消费结构如下：2 72 5用于合成苯乙烯，聚酰胺树脂(环己烷) 约占126 5，苯酚约占113 7，氯化苯约占l098，硝基苯约占98，烷基苯约占78 4，农用化学品约占556，顺酐约占47l，其它医药、轻工及橡胶制品业等约占984。 苯乙烯是纯苯最主要的消费用途，生产能力约70100万吨年。环已烷是仅次于苯乙烯的纯苯消费产品，主要用于生产尼龙6和尼龙66等产品，国内产能达到3045万吨年。苯酚是消耗纯苯较多的化工产品之一，我国苯酚的需求增长较快，预计20002003年，国内苯酚对纯苯的需求量将以年均6的速度增长。氯化苯的产量约为20万吨年，对纯苯的需求量将以年均3的速度增长。硝基苯产量约为25万吨年，预计近期内对纯苯的需求将以每年5的速度增长。烷基苯的产量约35万吨年，预计近几年对纯苯的需求会以年均5的速度增长。顺酐的产量增长很快，l990年顺酐产量仅为19 8万吨，目前产量约为78万吨年，其对纯苯的年需求增长率估计将达到7。86苯用于制造苯乙烯、苯酚、坏乙烷和其他有机物。剩余部分主要用于制造洗涤剂、杀虫剂和油漆清除剂。苯可作为汽油一种成份，含量2。 另外，包装印刷行业目前广泛使用的油墨以苯、乙醚之类的有毒有机试剂为溶剂，油墨中有机溶剂含量一般为3070，这不仅导致印刷车间内存在易燃易爆的危险隐患，而且这类溶剂在印刷过程中全部挥发，严重污染车间及大气环境，对印刷操作工人及周围居民的健康构成威胁。 2.甲苯在工业中的用途甲苯可用作生产苯和许多其他化工产品的原料。如油漆、清漆、亮漆、粘合剂及油墨制造业及天那水配方用之稀释剂，树脂溶剂；化学及制造业用之溶剂；尤以萃取及脱脂两工序最为适合。另也为化学合成用之原料。还可用作汽油的掺合组分以提高辛烷值，也是涂料、油墨和硝酸纤维素的溶剂。由甲苯生产的一系列中间体，称甲苯系中间体。化工方面主要用以生产苯及二甲苯，其下游主要产品是硝基甲苯、苯甲酸、氯化苄、间甲酚、甲苯二异氰酸酯等，还可生产很多农药和医药中间体。另外，甲苯具有优异的有机物溶解性能，是一种有广泛用途的有机溶剂。甲苯容易发生氯化，生成苯氯甲烷或苯三氯甲烷，它们都是工业上很好的溶剂；它还容易硝化，生成对硝基甲苯或邻硝基甲苯，它们都是染料的原料；它还容易磺化，生成邻甲苯磺酸或对甲苯磺酸，它们是做染料或制糖精的原料。甲苯的蒸汽与空气混合形成爆炸性物质，因此它可以制造梯思梯炸药。 甲苯是重要的化工原料。也是燃料的重要部分。城市空气中的甲苯，主要来自与汽油有关的排放及工业活动造成的溶剂损失和排放。贮运过程中的意外事故是甲苯的又一个污染源。甲苯能被强氧化剂氧化，为一级易燃品。甲苯易挥发，在环境中比较稳定，不易发生反应。由于空气的运动，使其广泛分布在环境中。水中的甲苯可迅速挥发至大气中。甲苯为一级易燃物，其蒸气与空气的混合物具爆炸性。发生爆炸起火时，冒出黑烟，火焰沿地面扩散。1.2精馏原理及其在工业生产中的应用精馏是利用混合物中各组分挥发度的不同将混合物进行分离。在精馏塔中，再沸器或塔釜产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:1)获得馏出液塔顶的产品；2)将溶液多级分离后，收集馏出液，用于获得甲苯，氯苯等；3)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。生的蒸汽沿塔逐渐上升，来自塔顶冷凝器的回流液从塔顶逐渐下降，气液两相在塔内实现多次接触，进行传质、传热，重组分下降，使混合液达到一定程度的分离。如果离开某一块塔板（或某一段填料）的气相和液相的组成达到平衡，则该板（或该段填料）称为一块理论板或一个理论级。然而，在实际操作的塔板上或一段填料层中，由于气液两相接触时间有限，气液两相不到平衡状态，即一块实际操作的塔板（或一段填料层）的分离效果常常达不到一块理论板或一个理论级的作用。要想达到一定的分离要求，实际操作的塔板数总要比理论的板数多，或所需的填料层高度要比理论上的要高。1.3精馏操作的特点及其对塔设备的要求1.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2.精馏操作对塔设备的主要要求1：生产能力大：即单位塔截面大的气液相流率，不会产生液泛等不正常流动。2：效率高：气液两相在塔内保持充分的密切接触，具有较高的塔板效率或传质效率。 3：流体阻力小：流体通过塔设备时阻力降小，可以节省动力费用，在减压操作是时易于达到所要求的真空度。 4：有一定的操作弹性：当气液相流率有一定波动时，两相均能维持正常的流动，而不会使效率发生较大的变化。 5：结构简单，造价低，安装检修方便。 6：能满足某些工艺的特性：腐蚀性，热敏性，起泡性等。1.4常用板式塔的类型及本设计的选型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。1.5本设计所选塔的特型 1.浮阀塔的特点是： 1生产能力大，由于塔板上浮阀安排比较紧凑，其开孔面积大于泡罩塔板，生产能力 比泡罩塔板大 20%40%，与筛板塔接近。 2操作弹性大，由于阀片可以自由升降以适应气量的变化，因此维持正常操作而允的负荷波动范围比筛板塔，泡罩塔都大。 3塔板效率高，由于上升气体从水平方向吹入液层，故气液接触时间较长，而雾沫夹带量小，塔板效率高。 4气体压降及液面落差小，因气液流过浮阀塔板时阻力较小，使气体压降及液面落差比泡罩塔小。 5塔的造价较低，浮阀塔的造价是同等生产能力的泡罩塔的 50%80%，但是比筛板塔高 20%30。 本设计所用塔为浮阀板式塔，其主要特点是在塔板的开孔上装有可浮动的浮阀，气流从浮阀周边以稳定的速度水平的进入塔板上液层进行两相接触。浮阀可根据气流的大小而上下浮动，自行调节。1.6 相关物性参数说明表一 苯和甲苯的蒸汽压及汽液平衡数据 80.027603001.0001.00084.08503330.8230.92288.0957379.50.6590.83092.010784320.5080.72096.01204492.50.3760.596100.013445590.2560.453104.014956250.1550.304108.01659704.50.0580.128114.0174876000表二 苯-甲苯物系在某温度t下的值t/80.184889296100104108110.62.602.562.532.492.462.432.402.372.35x10.8160.6510.5040.3730.2570.1520.0570表三 苯与甲苯的液体粘度温度t/8090100110120/mPa0.3080.2790.2550.2330.215/mPa0.3110.2860.2640.2540.228表四 苯与甲苯的液相密度温度t/8090100110120/815803.9792.5780.3769.9/870800.2790.3780.3770.3表五 液体表面张力温度t/8090100110120/21.2720.0618.8517.6616.49/21.6920.5919.9418.4117.37表六 单流型塔板某些参数推荐值塔径D/塔截面积A/堰长/堰宽/降液管面积/6000.26107.29.111.020.6770.7140.73440642844077901030.01880.02380.02897000.35906.909.0611.00.6660.6140.750466500525871051200.02480.03250.03958000.05277.22710.014.20.6610.7260.8005295816401001251600.03630.05020.0717表七 物性系数系统K系统K无泡沫，正常系统1.0多泡沫系统（胺和乙二醇的吸收）0.73氧化物0.90严重起泡沫（甲乙酮装置）0.60中等起泡沫（油吸收塔）0.85形成稳定泡沫系统（碱再生）0.30表八 塔板间距与塔径的经验关系塔径D/m0.30.50.50.80.81.61.62.0塔板间距/m0.20.30.30.350.350.450.450.6第二章 设计题目及设计任务书1、设计题目分离苯-甲苯混合液的浮阀塔板式精馏塔工艺2、工艺条件（1）设计规模：苯-甲苯混合液处理量1.2万t/a（2）生产制度：年开工300天，每天3班8小时连续生产（3）原料组成：原料组成：苯含量为40 (质量百分率)（4）进料状况：20（5）分离要求：塔顶产品中苯含量不低于99.5(质量百分率)塔底产品中苯含量不大于1.5(质量百分率) （6）塔板类型：浮阀板（7）建厂地区：大气压为760mmHg,自来水平均温度15的某地区，基本分压值250Pa。（8）地震烈度：6级以下。第三章 工艺条件的确定和说明3.1确定操作压力塔顶=101.325Kpa，取每层塔板压降0.7Kpa， 3.2确定进料状况进料状况q=1，饱和液体进料3.3确定加热剂和加热方式加热剂是蒸汽，加热方式是蒸汽间歇式加热3.4确定冷却剂及进出口温度将进料、塔顶和塔釜的浓度以分子分数表示为： 根据表一可确定塔顶、塔釜和进料的温度分别为：第四章 流程的确定和说明4.1 流程流程示意图 冷凝器塔顶产品冷却器苯的储罐苯 回流原料原料罐原料预热器精馏塔 回流再沸器 塔底产品冷却器甲苯的储罐甲苯4.2流程说明首先，苯和甲苯的原料混合物进入原料罐，在里面停留一定的时间之后，通过泵进入原料预热器，在原料预热器中加热到泡点温度，然后，原料从进料口进入到精馏塔中。因为被加热到泡点，混合物中既有气相混合物，又有液相混合物，这时候原料混合物就分开了，气相混合物在精馏塔中上升，而液相混合物在精馏塔中下降。气相混合物上升到塔顶上方的冷凝器中，这些气相混合物被降温到泡点，其中的液态部分进入到塔顶产品冷却器中，停留一定的时间然后进入苯的储罐，而其中的气态部分重新回到精馏塔中，这个过程就叫做回流。液相混合物就从塔底一部分进入到塔底产品冷却器中，一部分进入再沸器，在再沸器中被加热到泡点温度重新回到精馏塔。塔里的混合物不断重复前面所说的过程，而进料口不断有新鲜原料的加入。最终，完成苯与甲苯的分离。第五章 精馏塔的设计计算 5.1全塔的物料衡算 5.1.1料液及塔顶底产品含苯的摩尔分率苯和甲苯的相对摩尔质量分别为78.11 kg/kmol和92.14kg/kmol，原料含苯的质量百分率为40%，塔顶苯含量不低于99.5%，塔底苯含量不大于1.0%，则： 原料液含苯的摩尔分率： 塔顶含苯的摩尔分率：塔底含苯的摩尔分率： 5.1.2料液及塔顶底产品平均摩尔质量由5.1.1知产品中甲苯的摩尔分率，故可计算出产品的平均摩尔质量：原料液的平均摩尔质量：MF 78.110.440(10.440)92.1485.967kg/kmol塔顶液的平均摩尔质量：MD 78.110.996(10.996)92.1478.166kg/kmol塔底液的平均摩尔质量：MW 78.110.0118(10.0118)92.1491.974kg/kmol5.1.3 料液及塔顶底产品摩尔流率全塔物料衡算：依题给条件：一年以300天，一天以24小时计，得： F,12000t/（30024）h1666.67kg/h，即F=5.2 回流比的确定由表二可知随着温度的升高，变化不大，可对表中两端数据取平均值：由相平衡方程得： 由于饱和液体进料，则q=1，此时，将其代入上式得： 即故由下式得最小回流比：考虑到精馏段操作线离平衡线较近，取实际操作的回流比为最小回流比的1.5倍，即： 精馏塔的汽、液相负荷： 精馏段：液相流量：L=RD=2.2958.493=19.49kmol/h 气相流量：V=(R+1)D=(2.295+1)8.493=27.98kmol/h 提镏段：液相流量：L=L+F=19.49+19.52=39.01kmol/h气相流量：V=V=27.98kmol/h5.3 塔板数的确定（1）精馏段由相平衡关系知 q=1,将0.44代入上式得 即 e(0.44,0.66) 精馏段操作线方程：y= ，； ，； ，； ，； ，； ，； ，； ，； ，； =0.44; （2）提馏段由b(0.0118,0.0118)作提馏段操作线和精馏段操作线及q线的交点d确定。把x=0.44 代入精馏段操作线方程，得y=0.61 即d(0.44,0.61) 提馏段操作线方程：y=1.397x-0.0047; ; ; ; =0.0118理论板数（全塔包括塔釜）为（19.3-1）=18.319（层），进料位置为第11层全塔效率全塔平均温度T= 查表三知，0.49（=53.8精馏段的实际板数为：（层）提馏段的实际板数为：（层）第21层为实际加料板。故实际的板数为35层5.4 气液负荷计算 5.4.1平均压强pm 塔顶压强： 取每层塔板的压降0.7KPa 进料板： 塔底压强： 平均压强： 5.4.2平均分子量塔顶： ，: 加料板：， 塔釜： 精馏段平均分子量： 提馏段平均分子量: 5.4.3液体的平均粘度液体的平均粘度可由下式求得：由表三知： 温 度物 质塔顶80.1进料94塔釜112.80.3080.2690.2280.3110.2770.247塔顶液体的平均粘度： 进料板液体的平均粘度：塔釜液体的平均粘度： 精馏段液体的平均粘度：提馏段液体的平均粘度：5.4.4 液体的平均密度（1）液相平均密度由表四知： 温 度物 质塔顶80.1进料94塔釜112.8（）814.9799.3777.4869.3796.24777.5塔顶：则进料板： 则 塔釜： 则所以精馏段液相平均密度：提留段液相平均密度：（2）气相密度：可由该公式求取：塔顶： 进料板： 塔釜： 则精馏段的平均气相密度: 则提留段的平均气相密度： 5.4.5体积流量精馏段：液相体积流量： 气相体积流量： 提留段：液相体积流量：气相体积流量：气液负荷计算列表液相气相分子量/Kmol密度体积流量分子量/Kmol密度体积流量精馏段82.11806.40.0005580.6632.930.214提留段89.01787.50.001287.573.600.0275.5 精馏塔的塔体工艺尺寸计算 5.5.1 塔径的计算由上可知：精馏段的气、液相体积流率为： 由式中的C公式计算，其中C20由化工原理课程设计教材的负荷系数图查取，图的横坐标为取板间距HT=0.45m，板上液层高度hL=0.06m，则HT-hL=0.45-0.06=0.39m查负荷系数图得C20=0.085取液泛分率为0.8，则空塔气速为 由于气体流率为0.214 则取 则故按标准塔径圆整后为：D=0.6m塔截面积为： AT=/4D2=0.28m2 此时两段的实际空塔速度为： 相应的空塔动能因数为： 均属正常操作范围。 5.5.2精馏塔有效高度的计算H=16m5.6 塔板工艺结构尺寸的设计与计算 5.6.1溢流装置计算根据塔径和液体的流量，选用弓形降液管，平行受液盘及平行溢流堰，不设进口堰，各项计算如下。1.偃长 查表六知2.偃高 由公式 求得，=2.43 查图知F=1.02 精馏段 =52 提馏段 =47 上下两段偃高均选用52毫米。3.降液管的宽度及降液管面积当时，由查表得：故塔的相对操作面积为：依教材中式5-9验算液体在降液管中停留时间,即: 可以满足要求。4.降液管下端与下层塔板间的距离 液体通过降液管底隙的流速一般为0.070.25m/s，取液体通过 降液管底隙的流速，则有： 降液管底隙高度设计合理。故选用凹型受液盘，深度 5.7 浮阀的布置选用十字架型圆盘浮阀，阀径为50，阀重32g，塔板上 孔径为40，最大开度8 5.7.1 阀孔速度由公式得（1）精馏段 m/s（2）提馏段 m/s上下两段相应的阀孔动能因数为： 均属正常操作范围。 5.7.2 开孔率由公式求得：（1）精馏段 （2）提馏段 考虑到塔板加工方面起见，上下两段的开孔率均采用 5.7.3 阀孔总面积由公式求得： 5.7.4 浮阀总数由公式得 取整为20（个） 5.7.5 塔板上布置浮阀的有效操作面积已知m 取m ； 由公式可求:有效操作面积m2 5.7.6 浮阀的排列 浮阀采取等腰三角形叉排排列。设垂直于液流方向的阀孔中心间距为t，与此相应的每排浮阀中心线之间距离，由公式得：t=0.1m 取t=1005.8 塔板流动性能校核 5.8.1液沫夹带量校核为控制雾沫夹带量e过大，应使泛点F0.650.75浮阀塔板泛点率查表七知，K=1.0，查图知，C=0.098 精馏段： 取较大值，F=0.520.75同理，F=0.5260.75 5.8.2 塔板阻力校核 h= h+ h+ h 干板阻力h= 精馏段h=0.031m, 提馏段h=0.031m 故h=0.031 板上充气液层阻力h= ，=0.4，则h=0.028m h可忽略，故h=0.031+0.028=0.059m 5.8.3 降液管液泛校核 降液管内清夜层高度H= h+ h+ h h=0.0007m H=0.130m （0.45+0.052）=0.301m H 5.8.4 液体在降液管中停留时间校核由公式求各段的停留时间：（1）精馏段:（2）提馏段: 5.8.5严重漏液校核取阀孔动能因数F=5为控制漏液量操作下限，此时漏液量接近10 5.9 塔板负荷性能图 5.9.1漏液线 漏液点气速:依据表5中数据作出漏液线（见图3a）0m=Vs,m/A0，整理得： 5.9.2液沫夹带线整理得，v=0.16-9.5L在操作范围内任取两个L值，得附表1L/(m/s)0.00030.0006V/( m/s)0.1570.155 5.9.3液相负荷上限线 以=5s作为液体在降液管中停留时间的下 限 则 5.9.4液相负荷下限线 取E=1 则L=0.0005 由塔板负荷性能图可以看出： 任务规定下的气、液负荷操作点p处于适宜操作区的适中位置 塔板的气液负荷上限由液沫夹带控制，操作下限由漏液控制按固定的液气比，可知气相负荷上限操作弹性=0.557/0.175=3.18 5.9.5液泛线 在操作范围内任取若干L值，得附表2L/(m/s)0.00030.00050.00060.00080.0010V/( m/s)0.5570.5510.5480.5420.536 5.9.6塔板性能负荷图 5.9.7浮阀塔的工艺设计计算结果总表项目符号单位计算数据精馏段提馏段各段平均压强PKPa108.65128.25各段平均温度T87.1103.1平均流量气相V0.2140.027液相L0.000550.0012实际塔板数N块2015板间距H m0. 450.45塔的有效高度Zm8.556.3塔径Dm0.6000.600空塔气速um/s0.570.53溢流装置堰长lm0.440.44堰高hm0.0520.052溢流堰宽度wm0.090.09管底与受液盘距离hm0.020.025板上清液层高度hm0.070.07孔径dmm5050孔间距孔数n个2020开孔面积A0.280.28第六章 塔的机械设计6.1设计条件 塔体与裙座的机械设计条件如下：（1） 塔体内径,塔高近似取H=20000mm。（2） 计算压力，设计温度t=200。（3） 设计地区：基本风压值，地震设防烈度为8度，场地土类：类，设计地震分组：第二组，设计基本地震加速度为0.3g。（4） 塔内装有N=35层浮阀塔，每块塔盘上存留介质层高度为，介质密度为。（5） 沿塔高每5m左右开设一个手孔，手孔数为4个，相应在手孔处安装半圆形平台4个，平台宽度为B=800mm，高度为1000mm。（6） 塔外保温层的厚度为，保温材料密度为。（7） 塔体与裙座间悬挂一台再沸器，其操作质量为。（8） 塔体与封头材料选用16MnR，其中。（9） 裙座材料选用Q235-B。（10） 塔体与裙座对接焊接，塔体焊接接头系数。（11） 塔体与封头厚度附加量C=2mm，裙座厚度附加量C=2mm。6.2按计算压力计算塔体和封头厚度 1.塔体厚度计算 取=4mm，考虑厚度附加量C=2mm，经圆整，取,。 2.封头厚度计算 采用标准椭圆形封头： ，取=4mm,考虑厚度附加量C=2mm经圆整后，取，。6.3塔设备质量载荷计算 1、筒体圆筒、封头、裙座质量圆筒质量： 封头质量： 裙座质量： =+=1678.6kg说明：(1)每平方米钢板质量G=，查得16MnR的密度， （2）其中，取塔体中径计算面积 （3）其中， （4）其中， 2、塔内构件质量 （由表8-1查得浮阀塔盘质量为75kg/m2） 3、保温层质量 其中，为保温层的质量，kg 4、平台、扶梯质量说明：由表8-1查得，平台质量；笼式扶梯质量；笼式扶梯总高；平台数量n=4。5、操作时物料质量 说明：物料密度,塔釜圆筒部分深度h0=1.0m，塔板层数N=32，塔板上液层高度，由表4-21查得，封头容积。 6、附件质量按经验取附件质量为7、冲水质量其中，8、各种质量载荷汇总如下表所示，将全塔分成4段，计算下列各质量载荷（计算中有近似）塔段0112233顶合计塔段长度/mm1000200070001000015000手孔与平台数00224塔板数0018173583.93167.9503.59587.511678.6-371371741.83-24674.3674.31372.64040947.7947.71975.33-22348.15348.18718.32323186.8186.8419.65-56282628265708-8001200-2000146.931134.87057.65941.514280.8各塔段最小质量/kg1539955132.94032.912702全塔操作质量/kg14280.8全塔最小质量/kg12702水压试验时最大质量/kg19270.56.4风载荷与风弯矩计算1. 风载荷的计算（1） 23段风载荷式中：体型系数，对圆筒形容器为0.710m高处基本风压值为400风压高度变化系数，查表8-5得1.00计算段长度为2000mm脉动影响系数，由表8-7查得为0.72塔的基本自振周期，对等直径、等厚度园截面塔： 脉动增大系数，根据自振周期，由表8-6内插法查得为2.95振型系数，由表8-8内插法查得为0.08风振系数 因H20m 所以塔有效直径。设笼式扶梯与塔顶管线成90，取以下a，b式中较大者 a. b. =400mm，取400mm，=100mm a. b. 取=2312mm （2）01段风载荷=0.7 =400=1.00 =1000mm =0.72 =0.91s=2.17 =0.02 =400mm，=400mm，=100mm a. b. 取=1412mm （3）12段风载荷=0.7 =400=1.00 =1000mm =0.72 =0.86s=2.09 =0.02 =400mm，=400mm，=100mm a. b. 取=1412mm （4）3顶段风载荷=0.7 =400 =1.00 =4000mm =0.72 =0.86s=2.09 =0.551 =400mm，=400mm，=100mm a. b. 取=1778.7mm 各段塔风载荷计算结果计算段平台数110004000.70.721001412407.6220004000.70.723001412850370004000.70.7292266.71778.73387.07410004000.70.72152266.71778.756302、风弯矩的计算截面00 截面11 截面22 6.5 地震弯矩的计算取第一振型脉动增大系数=0.02则衰减指数塔总高度H=20000mm全塔操作质量重力加速度地震影响系数由表8-2查得（防烈度8级）由表8-3查得计算截面距地面高度h:0-0截面：h=01-1截面：h=1000mm2-2截面：h=3000mm等直径、等厚度的塔，按下列方法计算地震弯矩。截面0-0截面1-1截面2-2偏心弯矩计算6.6、各种载荷引起的轴向应力1、计算压力引起的轴向应力2、操作质量引起的轴向压应力截面0-0令裙座厚度；有效厚度；截面1-1其中，查附录18，截面2-23、最大弯矩引起的轴向应力截面0-0 取截面1-1 取截面2-2 6.7塔体和裙座的危险截面的强度与稳定校核塔体和裙座的危险截面的强度与稳定校核1、塔体的最大组合轴向拉应力校核截面2-2塔体的最大组合轴向拉应力发生在正常操作时的2-2截面上。其中，,载荷组合系数K=1.2 满足要求2、塔体与裙座的稳定校核截面2-2塔体2-2截面上的最大组合轴向压应力满足要求其中， Ri为筒体平均半径 t = 170 MPa K = 1.2B=2/3AE=2/30.001071.9100000=135.53 KB=162.6Kt =1.2170=204 截面1-1塔体1-1截面上的最大组合轴向压应力1-1max =21-1+31-1 =15.76+109.2 =124.96MPa1-1max = 124.96MPa cr = min KB, Kt =min159.22,126=126 MPa满足要求其中，A = 0.094（Ri e）= 0.00107由附录1-2，裙座材料在200下E=186000MPa 由附录9-1 t =105 MPa, K = 1.2B=2/30.00107186000=132.68 KB=159.22 Kt =126MPa截面0-0塔体0-0截面上的最大组合轴向压应力0-0max =20-0+30-0 =18.6+136.8=155.4MPa0-0max = 155.4MPa cr = min KB, Kt =min159.22,156=156MPa满足要求各种危险截面强度与稳定校核汇总项目危险截面0-01-12-2塔体与裙座的有效厚度e，esmm444截面以上的操作质量m0i-ikg7538530077457.07计算截面面积Ai-imm2ASb =7536ASm =8792A =7536计算截面的抗弯截面系数Zi-imm2Zsm =1.248Z =1130400最大弯矩Mmaxi-i(Nmm)最大允许轴向拉应力，KtMPa173.4-最大允许轴向压应力MpaKB159.22159.22159.22Kt126126126计算压力引起的轴向拉应力1MPa0015操作质量引起的轴向压应力i-i2MPa18.615.7617.01最大弯矩引起的轴向压应力