精馏塔的设计详解

甲苯 苯精馏塔的设计 机械设计部分 第 1 页 共 21 页 目录 一 前言前言 3 二二 塔设备任务书塔设备任务书 4 三三 塔设备已知条件塔设备已知条件 5 四四 塔设备设计计算塔设备设计计算 6 1 选择塔体和裙座的材料 6 2 塔体和封头壁厚的计算 6 3 设备质量载荷计算 7 4 风载荷与风弯距计算 9 5 地震载荷与地震弯距计算 12 6 偏心载荷与偏心弯距计算 13 7 最大弯距计算 14 8 塔体危险截面强度和稳定性校 核 14 9 裙座强度和稳定性校核 16 10 塔设备压力试验时的应力校核 18 甲苯 苯精馏塔的设计 机械设计部分 第 2 页 共 21 页 11 基础环设计 18 12 地脚螺栓设计 19 五五 塔设备结构设计塔设备结构设计 20 六 参考文献参考文献 21 七 结束语结束语 21 甲苯 苯精馏塔的设计 机械设计部分 第 3 页 共 21 页 前言前言 苯 C6H6 在常温下为一种无色 有甜味的透明液体 并具有强烈的芳香气味 苯可燃 有毒 也是一种致癌物质 它难溶于水 易溶于有机溶剂 本身也可作为有机溶剂 苯具 有的环系叫苯环 是最简单的芳环 苯分子去掉一个氢以后的结构叫苯基 用 Ph 表示 因 此苯也可表示为 PhH 苯是一种石油化工基本原料 苯的产量和生产的技术水平是一个国 家石油化工发展水平的标志之一 甲苯是有机化合物 属芳香烃 分子式为 C6H5CH3 在常温下呈液体状 无色 易燃 它的沸点为 110 8 凝固点为 95 密度为 0 866 克 厘米 3 甲苯不溶于水 但溶 于乙醇和苯的溶剂中 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 甲苯与苯的性质很相似 是工 业上应用很广的原料 但其蒸汽有毒 可以通过呼吸道对人体造成危害 使用和生产时要 防止它进入呼吸器官 苯和甲苯都是重要的基本有机化工原料 工业上常用精馏方法将他们分离 精馏是分 离液体混合物最早实现工业化的典型单元操作 广泛应用于化工 石油 医药 冶金及环 境保护等领域 它是通过加热造成汽液两相体系 利用混合物中各组分挥发度的差别实现 组分的分离与提纯的目的 实现精馏操作的主要设备是精馏塔 精馏塔主要有板式塔和填料塔 板式塔的核心部 件为塔板 其功能是使气液两相保持密切而又充分的接触 塔板的结构主要由气体通道 溢流堰和降液管 本设计主要是对板式塔的设计 甲苯 苯精馏塔的设计 机械设计部分 第 4 页 共 21 页 一 一 塔设备任务书塔设备任务书 简图与说明比例设计参数与要求 工作压力 MPa 0 004 腐蚀速率 mm a 0 01 设计压力 MPa 0 0044 设计寿命 a 20 工作温度 C120 浮阀个数 设计温度 C150 浮阀间距 介质名称苯 甲 苯 保温材料厚度 mm 100 介质密度 kg m3799 054保温材料密度 kg m3 300 基本风压 Pa 300 存留介质高度 mm 52 5 49 地震烈度 9 壳体材料 Q235 A 场地类别 内件材料 塔形筛板塔裙座材料 Q235 A 塔板数目 21 偏心质量 kg 2000 塔板间距 mm 500 偏心距 mm 1000 接管表 符号公称 尺寸 连接 面形 式 用途符号公称 尺寸 连接 面形 式 用途 a1 2450mm 人孔 g45 mm 突面回流 口 b1 2 突面温度 计 h1 325 mm 突面取样 口 c 突面进气 口 i1 2 突面液面 计 d1 238mm 突面加料 口 j38 mm 突面出料 口 e1 2 突面压力 计 k1 3450 mm 突面人孔 f127 mm 突面排气 口 条件内容修改 修改标记修改内容签字日期 塔径 原设计算错 备注甲苯 苯精馏塔设计 单位名称化工系 2 班刘丽娟工程名称 提出人刘丽娟日期 08 7 25 甲苯 苯精馏塔的设计 机械设计部分 第 5 页 共 21 页 三三 塔设备已知条件塔设备已知条件 塔体内径 mmDi 1200 场土地类别 塔体高度 mmH 10550 偏心品质kgme 2000 设计压力 MPap 0 0044偏心距 mme 1000 设计温度 t C 150 塔保温层厚度 mm s 100 材料 Q 235A 保温材料密度 3 2 mkg 300 MPa 113 材料 Q 235B 许用 应力 MPa t 113 许用应力MPa t s 113 设计温度下弹性模量 MPaE 2 10 5 常温屈服点MPa s 235 常温屈服点MPa s 235 设计温度下弹性模量 MPaEs 2 10 5 塔 体 厚度附加量mmC 2 裙 座 厚度附加量mmCs 2 塔体焊接头系数 0 85 人孔 平台数 5 介质密度 3 mkg 1000 材料 Q 235A 塔盘数 N48 许用应力MPa bt 147 每块塔盘存留介质层高度 mmhw 50 腐蚀裕量 mmC 2 3 基本分压值 Paqo 300 地脚 螺线 个数 n 4 地震设防烈度 9 表二 已知条件列表 甲苯 苯精馏塔的设计 机械设计部分 第 6 页 共 21 页 四 四 塔设备设计计算塔设备设计计算 1 1 选择塔体和裙座的材料选择塔体和裙座的材料 设计压力是指设定的容器顶部的最高压力 由 工艺部分 的工艺条件可知塔顶表压 为4kPa 通常情况下将容器在正常操作情况下容器顶部可能出现的最高工作压力称为 p 容器的最大工作压力用表示 即 0 004MPa 取设计压力 w p w p p 0 0044MPa w pp1 1 设计温度是指容器在正常操作情况下 在相应设计压力下 设定的受压组件的金属温 度 其值不得低于容器工作是器壁金属达到的最高温度 本设计塔内最高温度塔底取得 C 设计温度可以取为 C max 120t 150t 从上可知 设计压力和设计温度都属于低压 低温状态 塔体和裙座的材料可用 Q235 A GB912 热轧 厚度为 3 4mm 常温下强度指标375MPa 235MPa 设计 b s 温度下的许用应力113MPa t 2 2 塔体和封头壁厚的计算塔体和封头壁厚的计算 2 12 1 塔体壁厚的计算塔体壁厚的计算 塔体的壁厚是值塔体计算出来的有效厚度 有效厚度可以用下式计算 式中为理论计算厚度 mm 为除去负偏差以后的圆整值 21 CC ne mm 为名义厚度 mm 为钢板厚度负偏差 mm 为腐蚀裕量 mm n 1 C 2 C 2 1 1 理论计算厚度 其中指塔体的内径 由工艺部分计算可知 1 2m 为焊接 p pD t i 2 i D i D 头系数 本设计采用双面焊 局部无损探伤 0 85 0 03mm p pD t i 2 0044 0 85 0 1132 12000044 0 对于碳素钢和低合金钢制容器 而 0 2 max 9 0 TTg max 塔设备各段质量可以近似的按下表中的处理 5 1 25 1 2垂直地震力垂直地震力 塔设备的垂直地震力按下式计算 甲苯 苯精馏塔的设计 机械设计部分 第 13 页 共 21 页 0 65 0 585 gmF eqvv max 00 max v max 0 757843 9kg 所以有 44969 1N eq m o mgmF eqvv max 00 任意质量 处垂直地震力按下式计算 i II v F II v F 00 1 v n k kk ii F hm hm 塔段 0 11 2 2 3 3 44 5 长度 m 0 551144 各点距地面高度 mm i h 55015502550655010550 质量 kg 545 2991 3991 3 3965 33965 3 0 00490 03940 20240 64621 3327 N299 861536 5152527 81525972 71541833 915 N186 8405309957 391041575 062716183 40526066 401 表三 水平 垂直地震力 以上计算均由 Excel 自动生成 5 1 35 1 3地震弯距地震弯距 对于等直径 等壁厚塔设备的任意截面 I I 和底截面 0 0 底基本振型地震弯距分别 按下式进行计算 41410 175 8 5 35 25 3 5 2 1 1 hhHH H gmC M oZ II E gHmCM oZE1 00 1 35 16 同计算风弯距一样 对危险截面进行地震弯距的计算 91512 2N m 0 00 0 1EE MM 0 457 0 5 0 37 10458 5 9 81 10 55 1 11 13 52 53 5 1 1 2 5 8 10144 175 Zo EE Cm g MMHHhh H 84806 8N m 3 52 53 5 2 5 8 0 5 0 37 10458 5 9 81 10 10 55 14 10 550 554 0 55 175 10 55 2 22 23 52 53 5 1 111 2 5 8 10144 175 Zo EE Cm g MMHHhh H 79402 8N m 3 52 53 5 2 5 8 0 5 0 37 10458 5 9 81 10 10 55 14 10 5514 1 175 10 55 1k 1k F II v F 甲苯 苯精馏塔的设计 机械设计部分 第 14 页 共 21 页 6 6 偏心载荷和偏心弯距的计算 偏心载荷和偏心弯距的计算 由前面计算可知 2000 e mkg mme1000 4 2000 9 8 11 96 10 ee Mm geN m 7 7 最大弯距的计算 最大弯距的计算 塔设备任意计算截面 I I 处的最大弯距按下式进行计算 II M max Max II M maxe II W MM 25 0 e II W E II MMM 同前面计算 本设计将对危险截面进行计算 如下表所示 截面0 01 12 2 II W M mN 12741611875393846 II E M mN 91512 284806 879402 8 e MmN 1 96 4 10 e II W MM mN 147016138353113446 e II W E II MMM 25 0 142966 2134095 05122464 3 II M max mN 142966 2134095 05122464 3 表四 求最大弯距 8 8 塔体危险截面强度和稳定性校核 塔体危险截面强度和稳定性校核 8 18 1 圆筒轴向应力圆筒轴向应力 圆筒任意计算截面 I I 处的轴向应力分别按下式进行计算 由于内压和外压引起的轴 向应力 1 4 1eii pD 由于重力和垂直地震力引起的轴向应力 其中仅 2 eii II V II o D Fgm 2 II VF 在最大弯距为地震弯距参与组合时计入此项 最大弯距引起的轴向应力 3 甲苯 苯精馏塔的设计 机械设计部分 第 15 页 共 21 页 eii II D M 2 max 3 4 8 28 2 圆筒稳定性校核圆筒稳定性校核 圆筒许用轴向应力按下式确定 cr cr t KKBMin 圆筒最大组合拉应力按下二式进行校核 内压塔器 外压塔器 2 3 cr 1 2 3 cr 具体轴向应力求法和校核如下表所示 计算公式及数据 计算内容 0 0 截面1 1 截面2 2 截面 有效厚度 mm ei 2 5 筒体内径 mm i D 1200 计算截面以上的操作 质量 kg II o m 10458 5985610103 4 1eii pD 528 0 5 24 12000044 0 设计压力引起的轴向 应力 MPa 1 000 528 eii ii o D gm 2 操作质量引起的轴向 应力 MPa 2 10 891510 2640510 52128 eii II D M 2 max 3 4 最大弯距引起的轴向 应力 MPa 3 107 31101 2989 49 载荷组合系数 K 1 2 系数 A00078 0 094 0 iei RA 查表可知 Q 235A 150 度 的 113MPa t 设计温度下材料的许 用应力 t 113113113 甲苯 苯精馏塔的设计 机械设计部分 第 16 页 共 21 页 系数 B MPa 117117117 KB MPa 140 4140 4140 4 t K 135 6135 6135 6 取 KB 和中的较小者 t K 许用轴向应力 cr 135 6135 6135 6 对内压容器 满足条件 2 3 cr 圆筒最大组合应力 2 3 61 4810957 7145353 85613 t K 115 26115 26115 26 对内压容器 满足条件 321 t K 圆筒最大组合拉应力 321 39 698137 1864333 34158 表五 轴向应力的求取及校核 9 9 裙座的强度和稳定性校核裙座的强度和稳定性校核 塔设备常采用裙座支承 并根据承载的不同 分为圆筒形和圆锥形两种 由于圆筒形 裙座制造方便 被广泛采用 但需要配置较多的地脚螺栓和具有足够大承载面积的基础环 以防止由于风载荷或地震载荷所引起的弯距而造成翻到 若经应力校核不能满足 只能选 用圆锥形裙座支承 圆筒形裙座轴向应力校核首先选取裙座的危险截面 危险截面的位置 一般取裙座底 截面或裙座检查孔和较大管线引出孔截面处 然后按裙座有效厚度验算危险截面的应力 9 19 1 裙座底截面的组合应力裙座底截面的组合应力 裙座底截面的组合应力按下式进行校核 仅在最大弯距为地震弯距参与 0000 max t s sb vo sb KKBMin A Fgm Z M 00 v F 组合时计入此项 裙座底部截面积 裙座圆筒和锥壳的底部截 sb AsDA issb sb Z 面系数 sissb DZ 2 4 由上计算可知 甲苯 苯精馏塔的设计 机械设计部分 第 17 页 共 21 页 裙座有效厚度 裙座筒体内径 0 0 截面处最大弯距和操作质量分别为 142966 2N m 10458 5N mmm es 5 2 mmDis1200 00 max M 0 0 o m 0 0 截面积和截面系数分别为 3 14 1200 2 5 9420 sDA issb 2 mm 0 785 12002 2 5 2 826 106 sissb DZ 2 4 3 mm 裙座许用应力 Min Min 140 4 135 6 135 6KB t s K MPa Min 0 0 max 6 14296620010458 5 9 81 61 48 2 826 109420 o sbsb Mm g MPa ZA KB t s K 满足条件 材料安全 9 29 2 裙座检查孔和较大管线引出孔截面处组合应力裙座检查孔和较大管线引出孔截面处组合应力 裙座检查孔和较大管线引出孔 h h 截面处组合应力按下式进行校核 和 max t s sm hh o sm hh KKBMin A gm Z M 9 0 3 0 max s sm hh sm e hh W KBMin A gm Z MM 本设计中检查孔加强管长度 加强管水平方向的最大宽度 加强管厚度和裙座内径分 别为 mmlm100 mmbm300 mm m 3 mmDim1200 mmlA mmm 600310022 6005 2 6300 25 2120014 3 2 mesmmesimsm AbDA 90909420 2 mm 352222 1090474 2 2 300 2 1200 1005 22 2 2 2mmbDlZ mimmesm 2 785 0 22 mesimmesimsm ZDbDZ 0 785 12002 2 52 2 300 1200 2 5 2 5 1090474 2 6 10746 6 3 mm Min 140 4 211 5 140 4 9 0 s KBMin MPa 1 1 截面处最大弯距 风弯距 以上操作质量和最大质量分别为 甲苯 苯精馏塔的设计 机械设计部分 第 18 页 共 21 页 134095 05N m 118753N m 9856kg 10103kg 11 max M 11 W M 11 o m 11 max m 1 11 1 max 134 0959856 9 81 30 51 6 7469090 t o s smsm Mmg Min KB K ZA 1 11 1 max 0 30 3 1187 5310103 9 81 63 71 0 9 140 4 6 7469090 We s smsm MMmg Min KB ZA 1010 塔设备压力试验时的应力校核 塔设备压力试验时的应力校核 10 110 1 圆筒应力圆筒应力 试验压力引起的周向应力 本设计采用水压试验 ei eiiT T DgHp 2 所以 0 001kg cm3 1 25 0 0055 T ppMPa MPa T 25 62 5 22 5 21200 81 9 2490001 0 0055 0 试验压力引起的轴向应力 1T MPa Dp ei iT T 66 0 5 24 12000055 0 4 1 2 2 截面处的最大质量和风弯距分别为 10103kg 6 22 T m 2 2 93846 W MN m 重力引起的轴向应力 2T 2 2 2 10103 9 81 8 26 44 1200 2 5 T T iei mg MPa D 弯距引起的轴向应力 2 2 3 2 4 0 3 0 3 938 46 19600 7 1 0 785 1200 1 2 2 5 We T iei MM MPa D 10 2 应力校核 16 02 T MPa MPaMinKKBMin scr 4 140 8 253 4 140 9 0 液压试验时 123 0 668 267 10 9 TTTs K 23 8 267 115 36 TTcr 从上计算可知 材料安全 1111 基础环设计 基础环设计 甲苯 苯精馏塔的设计 机械设计部分 第 19 页 共 21 页 裙座外径 mmDD esisos 12062 基础环外径 mmDD isob 1500300 基础环内径 mmDD isib 900300 基础环伸出宽度 mmDDb osob 1472 相邻俩筋板最大外侧间距 mml160 基础环面积 26 22 1013 1 785 0 mmDDA ibobb 基础环截面系数 38 44 1088 2 32 mm D DD Z ob ibob b 水压试验时压应力 0 0 max 1 56 142966 210458 5 9 81 0 72 2 28 101 13 10 o b bb Mm g MPa ZA 操作时压应力 0 0 max 2 56 0 30 3 127416 1960021139 5 9 81 0 44 2 28 101 13 10 We b bb MMmg MPa ZA 混凝土基础上的最大压力 max12 0 72 bbb MaxMPa 由 可以查得对 X 轴和 Y 轴的弯距分919 0 lb 2 max 15558 5 b b 2 max 18432 b l 别为 2 max 0 1372131 5 Xb MbN m 2 max 0 08911386 3 Yb MbN m 计算力矩 2131 5 sXY MMax MMN m 有筋板时基础环厚度 取 12mm 66 2131 5 10 64 113 s b b M mm b 1212 螺栓计算 螺栓计算 最大拉应力 0 0 min 1 56 127416 196007470 2 9 81 0 45 2 88 101 13 10 We B bb MMmg MPa ZA 0 00 0 0 2 0 25 EWe B bb MMMm g ZA 甲苯 苯精馏塔的设计 机械设计部分 第 20 页 共 21 页 56 91512 20 25 127416 1960010458 5 9 81 0 41 2 88 101 13 10 MPa 基础环中螺栓承受的最大拉应力 12 0 450 BBB M