Φ1000甲醇精馏塔设计（全套CAD图+说明书+翻译）
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甲醇
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甲醇精馏塔设计
【摘要】 甲醇用途广泛，是基础的有机化工原料和优质燃料。主要应用于精细化工，塑料等领域，用来制造甲醛、醋酸、氯甲烷、甲氨、硫酸二甲酯等多种有机产品，也是农药、医药的重要原料之一。甲醇在深加工后可作为一种新型清洁燃料，也加入汽油掺烧。因此，甲醇在现实中需求量是比较大的，甲醇的大量生产也是很有必要的。本设计主要是化工容器——甲醇精馏塔的设计及压力控制系统设计，主要介绍了甲醇在工业中的应用，精馏塔的设计过程以及关于化工压力容器的设计的了解。本设计师通过课题壁厚的设计，填料的选择以及附件的设计，加深对压力容器的认识达到研究的目的和期望的结果，加深对涉及国内外先进的制造技术和有关压力容器的设计及工艺等方面的内容的学习和认识。通过查阅各种相关的文献资料，据此熟悉研究内容、合理的安排课题进度和容器设计路线。设计过程主要包括校核方案的最优化选取，导向方案中材料参数的设定，校核方法的选择，采用此设计方案的原因及形状的选择；筒体等的计算；工件的加工精度分析等。
【关键词】 精馏塔 填料 压力控制系统 设计、校核方法
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本科生毕业设计（论文）开题报告 设计（论文）题目 甲醇精馏塔设计 设计（论文）题目来源 自选 设计（论文）题目类型 工程设计 起止时间 6 、 设计（论文）依据及研究意义： 甲醇用途广泛，是基础的有机化工原料和优质燃料。主要应用于精细化工，塑料等领域，用来制造甲醛、醋酸、氯甲烷、甲氨、硫酸二甲脂等多种有机产品，也是农药、医药的重要原料之一。甲醇在深加工后可作为一种新型清洁燃料，也加入汽油掺烧。 因此，甲醇在现实中需求量是比较大的，甲醇的大量生产也是很有必要的。 二、 设计（论文）主要研 究的内容、预期目标（技术方案、路线）： 本次设计的是在常压下操作温度为 120 摄氏度的甲醇精馏塔。设计包括的主要内容：物料衡算、热量衡算、塔设备的工艺设计（塔内径、塔高、封头、筛板、进出口接管及裙座等）等。并对其进行强度计算及校核，绘制图纸等。技术方案及路线：首先进行物料衡算和热量衡算，然后进行塔设备的尺寸计算，最后进行强度计算和校核。 三、设计（论文）的研究重点及难点： 重点是： 物料衡算、热量衡算和塔设备的尺寸计算和确定以及强度计算和校核。 难点是： 一、由于甲醇精馏过程比较复杂以及现有理论的不完备， 其难点为塔内的物料及热量衡算，并对其进行比较准确的计算。 二、由于本次设计的塔是满足常压下操作温度为 120 度的生产，其难点是对塔高、塔内径以及壁厚等进行比较优化的设计。 三、由于本次设计的塔为高压塔而且考虑了各种载荷，其难点 是对塔体以及一些塔内件的强度计算及校核。 四、设计（论文）研究方法及步骤（进度安排）： 了解我们所要设计的试验装置，为进行设计做准备， 文献查阅 开题报告 数据，求得设计的各种依据， 总体设计 整理图纸，进行打印， 强度校核 图及编写说明 五、进行设计（论文）所需条件： 1、要有充分的资料（在图书馆查阅与甲醇精馏相关的书籍，进行筛选，选出有用的信息）。 2、到工厂进行实习，了解甲醇精馏全流程，并了解甲醇精馏塔塔的基本结构。 3、设计所需设计方法、软件、工具等。 六、指导教师意见： 签名： 年 月 日 毕业设计（论文）任务书 学 院： 机械工程学院 题 目 1000 甲醇精馏 塔设计 论文 (设计 ) 内容及要求： 一 、 毕业设计（论文）原始依据 装置参数 ： 操作压力 常压 操作温度 120 入塔物料 甲醇 塔高 ， 塔径 环境 衡阳室外 二 、 毕业设计（论文）主要内容 设计图纸折合 0#图 3 张以上（其中手工绘图不少于 1 张 1#图）。设计说明书 12000 字以上，并有 2000 3000 字的外文文献翻译和 300 字左右中英文摘要。 三 、 毕业设计（论文）基本要求 设计符合最新国家标准及行业标准。设计图样达到工程设计施工图水平。 四 、 毕业设计（论文）进度安排 献查阅 题报告 体设计 强度校核 图及编写说明书 五 、 主要参考文献 化工设备设计全书（塔设备） 化工原理 化工工艺设计手册 制压力容器 指导老师： （签 名） 年 月 日 毕 业 设 计 ( 论文 ) 题 目： 1000 甲醇精馏 塔设计 学 院： 机械工程学院 机械工程学院毕业设计 第 1 页 /共 50页 第一章 前言 产品介绍 ： 甲醇系结构最为简单的饱和 一元醇 ， 67170082分子量 称“木 醇”或“木精”。是无色有 酒精 气味易挥发的液体。有毒，误饮 5 10毫升能双目失明，大量饮用会导致死亡。用于制造甲醛和农药等，并用作有机物的萃取剂和酒精的变性剂等。通常由一氧化碳与氢气反应制得。 其 应用 ： 要用于制造 甲醛 、醋酸 、 氯甲烷 、 甲胺 和 硫酸二甲酯 等多种有机产品： 漆、 虫胶 、油墨、 胶黏剂 、染料、 生物碱 、 醋酸纤维素 、硝酸纤维素、乙基纤维素、 聚乙 烯醇缩丁醛 等的溶剂； 药、塑料、合成纤维及 有机化工 产品如甲醛、甲胺、氯甲烷、硫酸二甲酯等的原料。其他用作汽车防冻液、金属表面清洗剂和酒精变性剂等； 掺入 汽油 作替代 燃料 使用。 20世纪 80年代以来，甲醇用于生产汽油辛烷值添加剂 甲基叔丁基醚 、甲醇汽油、 甲醇 燃料，以及 甲醇蛋白 等产品，大大促进了甲醇生产的发展和市场需要； 作溶剂、甲基化试剂、 色谱分析试剂。还用于有机合成； 、 大规模集成电路 ， 主要用于 超大规模集成电路 工艺技术。甲醇的用途：甲醇用途广泛，是基础的有机化工原料和优质燃料。主要应用于精细化工，塑料等领域，用来制造甲醛、醋酸、氯甲烷、甲氨、硫二甲酯等多种有机产品，也是农药 、医药的重要原料之一。甲醇在深加工后可作为一种新型清洁燃料，也加入汽油掺烧。甲醇和氨反应可以制造一甲胺。甲醇的来源：甲醇可从煤制取，特别是可利用劣质高硫煤和焦炉气回收制取。也可自生物质（如林木、有机垃圾等）提取。 甲醇 生产是我国化工行业中的成熟产业，生产工艺简单，投资和生产成本都较低。 2012 年我国甲醇年产能力有 5074万吨，年产量约 2640万吨，产能过剩情况严重。新建一个年产 60万吨的装置，投资约20亿元 ，其生产工艺路线和装备完全可立足国内，并拥有自主知识产权。 生产方法： 工业上合成甲醇几乎全部采用一氧化碳加压催化加氢的方法，工艺过程包括造气、合成净化、甲醇合成和粗甲醇精馏等工序；（粗甲醇的净化过程包括精馏和化学处理。化学处理主要用碱破坏在精馏过程中难以分离的杂质，并调节精馏主要是脱除易挥发组分如二甲醚，以及难挥发组分职乙醇、高碳醇机械工程学院毕业设计 第 2 页 /共 50页 和水。粗馏后的纯度一般都可达到 98%以上。）将工业甲醇用精馏的方法将 含水量降到 下。再用次 碘酸钠 处理，可除去其中的丙酮。经精馏得纯品甲醇； 一般均以工业甲醇为原料，经常压蒸馏除去水分，控制塔顶 64 65，过滤除去不溶物即可；还可从木材干馏时得到的 焦木酸 分出；甲醇的制备主要采用精馏工艺。以工业甲醇为原料，经精馏、超净过滤、超净分装，得高纯甲醇产品。 国内生产情况和分析 内主要生产厂家 目前，现有甲醇生产厂家148 家，生产总量为 480 万吨，产量为 280 万吨，市场需求 390 万吨。，预计 2005 甲醇需求量约 550 万吨。有 30 多家设备处于停产或半停产状态，其中大多数是因为生产成本高、设备效益能力低等原因，部份技术落后、设备老旧、产能小的生产设备已经显现出将被淘汰的趋势较大的有上海焦化有限公司以煤为原料的生产装置；中石化四川维尼纶厂以乙炔尾气和天然气为原料的生产设备；以天然气为原料的甲醇生产企业还有陕西榆林天然气化工公司、大庆油田甲醇厂、陕西长庆油田、四川 江油甲醇厂等，生产规模多在 10 万公吨 /年左右，其它生产设备大多数采用联醇技术，生产规模多在 15 万公吨 /年。 1995 年以来，国内甲醇工业发展迅速，生产所用原料由联醇法的合成气为主，向天然气和煤为主的方向发展，其主要发展因素是新天然气田的开发，如新疆、四川、内蒙等。另外由于国内甲醇下游产品的开发生产，如甲醛、烯烃、醋酸、甲酯系列、民用 /汽车燃料等，以及西南化工研究院和南化公司研究甲醇催化剂的开发生产。目前有多家以煤或天然气为原料的甲醇计画在申报和筹备之中，其中有 6 个设备规模在 10 万公吨 /年以上，最大的为 60 万公吨 /年。拟建装置总产能为 213 万公吨 /年。 甲醇主要下游产品（甲醛、甲醇汽油、二甲醚等）市场前景分析 甲醇需求量与经济的总体发展有密切相关。 2001 年国内甲醇的需求量为 350 万公吨，主要应用于：甲醇衍生物占 69%、燃料占 7%、溶剂占 5%、医药占 农药医药占 其它占 4%. 近年国内甲醇进口量及价格 国内每年进口大量甲醇来满足市场需求，市场价格趋向国际市场化。近年来，国内甲醛、醋酸的消费市场增加，甲醇需求量相对应增加，部份甲醇厂又因为种种原因停产或减产，因此不能满足国内市场的需求 。 机械工程学院毕业设计 第 3 页 /共 50页 市场分析预测 2005 年的甲醇需求将会大大增加 在目前的条件下要求一段确定的时间，以便从 2004 年中期新增生产能力中获利。这段时间还可能拖延到 2005 年中期。明年估计将有更多的新建产能投入使用。 2004 年甲醇的总需求与 2003 年一样，据预测 2005 年的甲醇需求将会大大增加，其原因是由于与甲基叔丁基醚无关的部门活跃起来。作出改 变 预测的依据是计划中有多少新增产能在考察期中实际投入使用，这些新增产能对市场的产品价格有哪些影响。 2004 后 5 年中投产的甲醇产能将超过 1800 万吨，这些新增产能主要分布于南美 、近东和澳大利亚、这些地区将变成主要的工业甲醇生产和供应中心，同时甲醇的需求增长为每年 500 万吨。除新增甲醇产能外，现有的大规模的甲醇产能分布在北美和欧洲。但是如果新增产能出现以外停产的话，现有的甲醇产能远远不能满足市场需求。所以现有的位于中欧、独联体、印度、东南亚和东北亚地区甲醇生产厂家的负担很重 。 第二章 填料塔整体结构设计参数的选择 操作压力： 常压 操作温度： 120 入塔物料： 甲醇 塔高： 塔径： 1米 环境： 衡阳室外 本设计任务是分离甲醇 水混合物。对于二元混合物分离，应采用连续精馏的流程。设计采用泡点进料，把原料通过预热器加热到泡点后送入精馏塔内。甲醇常压下沸点为 而本任务是采用常压操作，符合题意。采用 30的循环水进行冷凝。塔顶上升蒸汽用全凝器冷凝，冷凝液到泡点下一部分后回流至塔内，而其余部分经过产品冷却器冷却送至储槽。由于所分离物系的重组分是水，机械工程学院毕业设计 第 4 页 /共 50页 所以直接采用直接蒸汽加热的方式，釜残液进行直接排放。 型 因为入 塔物料是甲醇 水混合物，腐蚀性比较弱，所以根据操作条件和塔的塔径为 D=1000选择填料塔。 填料塔是塔内填料作气液间接触构件 传质设备 。填料塔塔身 123456 78910111213图 2料塔的整体结构 机械工程学院毕业设计 第 5 页 /共 50页 是一个直立式的圆筒，其底部装填料支承板， 其中的填料以乱堆或整砌方式放置于支承板上。填料上方安装有填料压板，防被上升气流吹动。液体于塔顶经过液体分布器然后喷淋到填料上面，并沿着填料表面流下来。气体于塔底送进塔，经过气体分布装置分布后，跟液体呈现逆流的连续通过的填料层空隙，并在填料表面上，经气液两相密切接触后进行传质。由于填料塔属连续的接触式的气液传质设备，其两相的组成沿塔高连续的变化，并在正常操作状态下，其中的气相连续相，而液相为分散相。 当有液体沿着填料层向下流动的时候，其有逐渐向塔壁集中的现象，使塔壁附近液流量增大，这现象称壁流。由于壁流效应造 成的气液两相在填料层中的分布不均，使传质的效率下降。所以，填料层较高时，就需要进行分段，在中间设置再分布装置。而液体的再分布装置其中包括液体的收集器和液体的再分布器的两部分，在上层填料流下液体经过液体收集器的收集后，就送到液体的再分布器，经过重新的分布，喷淋到下层的填料上。 填料塔有生产能力大，分离的效率高，压降比较小，持液量较小，和操作弹性比较大的优点。 当然填料塔有一些的不足的地方，比如填料造价较高；而且当液体负荷小时不能够有效的润湿填料的表面，使传质的效率降低；不能够直接用有悬浮物或者容易聚合物料；对 于侧线的进料和出料等复杂的精馏不太适合等。 料的选择 因为本塔设计是甲醇填料精馏塔，介质是甲醇，综合考虑腐蚀性，塔体直径和其他性质，选择颗粒型填料的不锈钢矩鞍环填料 38#填料。 而由化工设备设计全书 表 5锈钢矩鞍环的特性数据可知，所选的填料尺寸是 38 积个数为 n=38160 个 /积密度181kg/表面积 =123，空隙率 =填料因子 =132。 表 2 填料层 高度的计算及分段 板高度的计算 机械工程学院毕业设计 第 6 页 /共 50页 由研究者通过大量数据回归，在常压蒸馏时的 联式如下： 其中中 H 等板高度， L 液体表面张力， N/m； L 液体粘度， Pa/s； h 常数。 在化工原理附录 2 的物理性质 中查，在 120m，粘度是 s。查表 5h=故结合上式 因为本设计的塔高 =去部分高度得到填料层的高度约为 8000 料层的分段 对于散装填料，根据化工设备设计全书 5装填料分段高度得到不锈钢矩鞍环填料塔中的 h/D=8 15， 6m。故精馏段分成三段，每段 =2150馏段一段 =2500 第三章 塔的结构设计 体分布装置 为使液体初始分布均匀，所以原则上增加单位面积的喷淋 点数。但是，因为结构的限制，故不能将喷淋点数设计的很多，而如果喷淋点数过多，塔中势必每一股液流流量过小，也难以保证均匀分配。另外，不同填料对液体均匀分布也有差别：像高效填料，流体不均匀分布对效率影响非常敏感，所以应有较严格的均布要求。 根据化工设备设计全书 常用填料喷淋点数参考以下指标。 D 1200 240 因为本设计塔径 D=1000每 240截面为： A=7850喷淋点数是 33个。 为满足塔径、液流量和 均布程度要求，设计选取是筛孔盘式分布器。板上的机械工程学院毕业设计 第 7 页 /共 50页 筛孔是按正三角形排列，孔径是 3 10据气体的负荷大小，分布器上安装升气管，升气管的直径 D 15。液体从分布盘上方的中心管注入盘内，而管口高于围环上缘到 50 200设计选取 150内径和分布器定位块外廊间隙约为 8 12布盘直径 D。因为塔径是 100000分布盘设计为分块结构，本设计为 3块。 根据化工设备设计全书 5孔盘式分布器设计参数可知，本设计筛孔盘式分布器参数：分布盘直径为 880环高度为 200体负荷的适用范围是 h。 图 3孔盘式分布器 料支承装置 填料的支承装置 对于保证填料塔操作性能有重大的作用。对于填料的支承装置基本要求：有足够强度来支承填料重量；并提供足够大自由截面，减小气液两相流动阻力；利于液体再分布；耐腐蚀性能很好；方便于用各种材料的制造；和安装拆卸方便等。 根据本设计要求，以及给定塔径和选择填料，故设计 用扁钢焊制栅板为填料机械工程学院毕业设计 第 8 页 /共 50页 支承。 因为塔径比较大，选分块式栅板，考虑分三段。栅板焊死在塔壁支承圈用于支持。塔径 900以需在支承圈下设加强肋板。 分块式栅板 体再分布装置 实践表明，喷淋液体沿着填料层向下流动的时候，不能保持的喷淋装置所提供原 始均匀的分布状态，液体有着向塔壁流动着的趋势。所以会导致壁流的增加、填料主体流量的减小，影响了流体的沿着塔横截面的分布均匀性，降低了传质效率。 为提高传质效果，填料层须分段，在各段填料中间安装了液体再分布装置，作用是为收集上一层填料层来的液体，并为下一层填料层建立了均匀的液体分布。 根据本设计的要求，设计采用了多孔盘式再分布器。而且分布盘上的孔数按喷淋点数确定，孔径为 3 10气管尺寸尽可能的大，底部铺设了金属网，为防填料吹进到升气管中。根据化工设备设计全书 塔设备表 5机械工程学院毕业设计 第 9 页 /共 50页 孔盘式再分布器 设计参考数据，塔径 D=1000所采用的分布盘外径为 980气管数为 6。 图 3多孔盘式分布器 料压板和床层限制板 料压板 在满足压板所需重量条件下，尽量扩大压板自由截面，下限值为 70%。据本设计要求，选了栅条压板。栅条压板跟支承栅板结构一样，为防止填料通过，取栅条间距区在填料直径 层限制板 床层限制板和压板结构相同，但重量较轻，一般为 300N/，床层限制板一机械工程学院毕业设计 第 10 页 /共 50 页 定要固定在塔壁。 当塔径 D 1200，床层限制板的外径比塔 的内径小 10 15为本设计塔径 D=1000床层限制板外径用 990 沫器 据本设计基本要求和操作情况，跟塔径限制，设计选上装式丝网除沫器。 根据化工设备设计全书 塔设备表 8装式丝网除沫器的基本数据可知丝网除沫器主要外形的尺寸： H=10018D=920量是 图 3 丝网除沫器 座 座的选材 由于裙座与介质不直接接触，也不承 受容器内的介质压力，因此可不受压力容器用材所限制，可以选用较经济的非受压元件碳素钢材料，但裙座对整个塔器而言是个至关重要的元件，支撑整个塔器，如它破坏将直接影响塔器的正常使用。并且裙座所耗费的材料对整个塔而言不多，提高它的用材要求，在经济上不会耗费太多。 裙座要求满足载荷的要求以和塔操作情况、塔釜封头材料因素，以及本塔是室外操作塔，考虑环境温度，选 座的结构 机械工程学院毕业设计 第 11 页 /共 50 页 为制作方便，可选择圆筒形裙座，因为本塔设计参数得： D=1000H= 3裙座的结构 座与塔体的连接 裙座与塔体的连接采用焊接。焊接接头对接形式和塔接形式。因为本设计要求和不同连接方法利跟弊的因素，设计用裙座和塔体对接连接方式。采用对接形式时，一般裙座筒体外径和封头外径一样，裙座筒体于塔釜封头的连接焊缝应采用全焊透的连续焊，且于塔釜封头外壁圆滑过渡，故 000+12=1012座筒体和塔釜封头连接焊缝用全焊透连续焊。 化工设备设计全书 塔设备查表 8h=35 脚螺栓座 设计用外螺栓座型式，外螺栓座结构型式为常用型式，这种结构对地脚螺栓预埋或不预埋均适用，由化工设备设计全书 塔设备外螺栓座结构尺寸据表8螺栓座结构尺寸来选取。如图 机械工程学院毕业设计 第 12 页 /共 50 页 图 3裙座与塔体连接部分的结构 图 3 地脚螺栓座 子 机械工程学院毕业设计 第 13 页 /共 50 页 对有检修要求裙座和塔釜内部需要设置梯子，梯子所有构件一般均采用塔体为不锈钢时，与塔体 相焊的连接板应采用同种材料或 接板应与塔体完全焊透，焊缝应打磨光洁，以减少热应力的影响。梯子的踏步应能承受 1000手的任意点应能承受任何方向作用的 900 查孔 裙座上须开设检查孔，方便检修。由于检查孔有圆形，长圆形两种，本设计用圆形检查孔。据化工设备设计全书 塔设备表 8形检查孔的结构尺寸以及数量裙座直径在 1000 2800开 2个圆形的检查孔，直径是450是 250心高是 900 表 3械工程学院毕业设计 第 14 页 /共 50 页 图 3查孔 气管 为减低复试和塔运行中的有可能的气体的逸出，就会积聚在裙座和塔体封头之间死区中，或是可燃的，或是对于设备有腐蚀的作用，并且会危及于进入裙座的检修人员。故必须在裙座的上部设置排气管或者排气孔。 因本设计的裙座不设置保温和防火层，所以其上部需要均匀开设排气孔，尺寸根据化工设备设计全书 塔设备表 8 排气孔与排气管数量和规格 查出。因设计塔径属于 600 1200中间，故排气孔直径是 80气孔数量是 2个，排气孔的中心距座顶端的距 离为 140 表 3 3气管 出管通道 由于塔釜封头上接管需要用裙座上通道管来引到裙座外部。引出的管上需要焊接支承板，而且支承板和通道管之间应该预留间隙来考虑到热胀冷缩需要。最小的间隙 工设备设计全书 塔设备表 8隙 C 得。 机械工程学院毕业设计 第 15 页 /共 50 页 表 3 图 3出管通道 脚螺栓 考虑到设计的具体情况，先用 16化工设备设计全书 塔设备表 8座地脚的螺栓数 得到，裙座底部的直径是 1000个，最多是 8个，设计用 8个。 机械工程学院毕业设计 第 16 页 /共 50 页 板、样板和锚板 为准确的预埋地脚螺栓，使塔安装的时候容易对中。推荐用模版和锚板来进行地脚螺栓的定位，模版在基础上面，而锚板在基础中。 图 3模板和样板 釜隔板 精馏塔采用的是热虹式的再沸器，依靠液体的再沸器的内部分的气化后形成密度小于塔釜的热液气 利用天河的一密度差产生了静压差，使得液体自动从塔底流入到再沸器，在加热后变成了气 后又返回到塔釜。为使得这种再沸器能够稳定的工作，必须在塔釜内的液层高度维持恒定的条件下，所以可以在塔釜内设置一个垂直隔板。 本设计选用部分循环式塔釜隔板。优点在允许测液面的波动，因它只起缓冲机械工程学院毕业设计 第 17 页 /共 50 页 的作用而且又不影响重沸器的工况，塔釜的重沸器的侧液面，利用溢流来自动保持恒定。这种结构 使的从重沸器来的液相只有一部分的是循环的。因此分离效率很高，而且釜液组分沸点差较大的时候，进入重沸器的料液的温度，就会小于采出侧的釜液的温度。 这种结构缺点是在于重沸器侧是构成封闭循环的，所以当物料中固体生成的时候，在重沸器侧容易沉积固体，进而造成重沸器的堵塞。 该结构要求在最底一层的塔盘降液板以及隔板之间要有一定静液封的高度，经常取为 400且隔板上缘到塔板距离要大于塔板间距 隔板中的其他尺寸，可以从方便检修角度来选取。 图 3塔釜隔板 管 体进料管 回流和液体进料的时候，要求流体均匀的流过塔盘，回流管或者液体进料管结构形式分为直管形、两端开口 端封死 在设计中采用了直管型。直管形的结构主要是在于开槽长度较长，用工艺计算来确定开槽的长度和管径。 机械工程学院毕业设计 第 18 页 /共 50 页 图 3液体进料管 液出口 因为本设计中介质是清洁的介质，而且是填料塔，为了防止填料塔的塔底的出料口被碎的填料堵塞，所以设置了防碎填料挡板。其釜液出口结构尺 寸根据化工设备设计全书 塔设备，其常用结构及其尺寸 机械工程学院毕业设计 第 19 页 /共 50 页 图 3液出口 面计接口 为监视和调整釜内的液量，塔釜上需要设置一对液面计的接口。上方的接管口如果直接的接在塔壁上，因为重沸器返回物料和沿塔壁下降的液体的流入液面计影响，就会造成读数不准。所以，为此需要在其上方接管处来设置个挡板，来使得液面的显示准确和稳定。并在挡板半圆管上部来开一个三角形的缺口，用作排气孔。而且这排气孔只能开在其半圆管侧壁，不能开在盖板 上，防止液体经过该孔而流入到液面计中。 图 3面计接口 孔和手孔 人孔是用来安装和检修人员的进出塔器里的唯一的通道。人孔设置位置应方机械工程学院毕业设计 第 20 页 /共 50 页 便人员来进任何的一层塔板。但是因为设置了人孔处塔板的间距需要增大，而且人孔的设置个数过多则会使的制造塔体的时候，塔体中的弯曲度很难以达到目标要求，故一般的板式塔要求每隔 10 20层的塔板或者 5 10设置一个人孔。但是板间距小的塔要按照塔板数来考虑，而板间距大的塔需要按照高度考虑。可是对于直径不小于 800孔可以设置在每段的填料层上，下方的位置，在这同时也可作填料的装卸孔用。而那些设置在框架内和室内的塔，则人孔的设置要按照具体情况来考虑。 其中人孔设置位置一般需要在那些气液进出口等要求常维修和清理的部位，需应设置人孔。而且在塔顶和塔釜的位置，也要各设置一个人孔。而且塔釜内的人孔应设置个手柄。并在那些装有填料的塔里，需应设置填料的挡板，来保护人孔能够在不卸载出里面填料的情况下来更换人孔的垫片。人孔的选择需应考虑设计中的压力，试验里的条件，设计中的温度，物料里的特性，和安装中的环境等因素。 因为 设计是塔径 1000人孔开在了填料层的上方，且在这同时也兼有填料装卸孔的使用。人孔直径是 500 表 3械工程学院毕业设计 第 21 页 /共 50 页 手柄 图 3人孔内的填料挡板 手孔是指那些手跟手提灯能够伸入进去的设备开孔，来用于那些不便进去和不必要进入的设备和能清理，检查或者修理的那些场合。手孔也会常常用来做小的直径填料塔的装卸填料用，每段填料层上下方来各设置一个 手孔。而且卸填料手孔有时候会附带挡板来防止反应生成物会积聚在手孔内。 柱 对较高的那些室外的没有框架的整个的塔，要在塔顶设置一个吊柱，而对于补充以及更换的那些填料，加上安装和拆卸一些内件，而言就是既方便而且又经济的一项好设施了。一般来说塔的高度在 15m 以上或者 15需要设置一个吊柱。而对于那些分节的塔，其中的内件的拆卸经常在塔体进行拆开后拿出，所以没有必要设置个吊柱。 而吊柱设置的位置应该使得吊柱的中心线和人孔的中心线之间会有一个合适的夹角，并能使人能够站立在平台上来操纵手柄，以便能 让经过吊钩的那条垂直线能够旋转到塔体的人孔附近，来便于从人孔里面装入或者拿出塔里的内件部分。 机械工程学院毕业设计 第 22 页 /共 50 页 图 3 手孔 吊柱中的起吊的载荷要按照填料或者零部件总共的重量来决定，然后要跟据塔径来决定其中的回转半径，再然后选用， 这次设计中的塔高是 根据国家标准 21639，吊杆一般的会用 20号的无缝钢管，可是环境温度不大于 中吊杆要选用正火状态里的 10号的无缝钢管来制作，而支座里的垫板材料一般同塔体。 这次设计选择吊柱类型（二）。 而据化工设备设计全书 塔设备中的表 8表 3： S=800L=3150H=900 =168 10， R=750e=250mm，10 机械工程学院毕业设计 第 23 页 /共 50 页 图 3吊柱 第四章 塔设备的强度设计和稳定校核 体和封头尺寸计算 据设计压力 和液柱静压力确定计算压力 塔内液柱高度只考虑塔的底部到液封盘的那个液面高度 h=柱中的静压力 610 = = 可以忽略。 机械工程学院毕业设计 第 24 页 /共 50 页 计算压力 M p C 体厚度的计算 低压容器的圆筒厚度计算式为： Ct iC 2查过程设备设计第二版表 在设计温度为 120时， 0t =114 查过程设备设计第二版表 4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 t 、 值代入上式得 5 42 1 00 据 壳体加工成形后不包括腐蚀裕量的厚度： a) 对碳素钢、低合金钢制容器，不小于 3mm b) 对高合金钢制容器，不小于 2以本设计取 =3筒设计厚度 式中 21 2C 为腐蚀裕量，在无特殊腐蚀情况下，对于碳素钢和低合金钢， 2C 不小于 1 2C =2 1C 为钢材负偏差，可取 1C =1 21 =2+1=3筒设计厚 圆整并根据化工设备机械基础课程设计指导书附表 4圆筒名义厚度为n=6圆筒有效厚度e=n 。 头的壁厚计算 本设计采用标准椭圆形封头 封头厚度计算公式为： 机械工程学院毕业设计 第 25 页 /共 50 页 ct 1 42 1 0 0 根据 壳体加工成形后不包括腐蚀裕量的厚度： a) 对碳素钢、低合金钢制容器， 不小于 3mm b) 对高合金钢制容器，不小于 2以本设计取 =3头设计厚度h+C 2=3+ 52 头名义厚度圆筒一样，取为 6头有 效厚度C = 荷分析 设备质量载荷计算 塔设备的操作质量 )(0 ea 05040302010塔设备的最大质量 )( 04030201m a (ea 04030201m i n 体质量 知塔体总高度为 封头为厚度为 6径为 800以，。 所以圆筒总高为 （ 化工设备机械基础课程设计指导书附表 4筒体质量 1m = 封头质量 查 化工设备机械基础课程设计指导书附表 4000 机械工程学院毕业设计 第 26 页 /共 50 页 查 化 工设备机械基础课程设计指导书附表 4内径为公称直径的椭圆封头的型式和尺寸 得曲边高度为 250头质量 2m =2 111 座质量 取裙座高度为 3060座材料选 米高裙座理论质量为 199裙座质量3m=199 所以塔体总质量 =筒体质量 +封头质量 +裙座质量 即 01m= 1m + 2m +3m=11+段内件质量 )(02 本设计中的塔内件中包括了液体分布器和再分布装置、填料、填料支承装置、除沫器、填料 压板以及床层限制板，所以塔段内件的质量应为以上几项的和。 所以总质量为 温层质量 )(03 取保温层厚度为S=100 化工设备机械基础课程设计指导书表 5设备部分零件质量载荷估算表 得 保温层质量载荷为 300 ， 查 化工设备机械基础课程设计指导书附表4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 m ,以保温层外径为内径的椭圆型封头的容积为 m 。 所以 ,0322203 22224 0 = 2 式中 ,03台、扶梯质量 04m （ 机械工程学院毕业设计 第 27 页 /共 50 页 查 化工设备机械基础课程设计指导书表 5设备部分零件质量载荷估算表 得 平台质量 2/150 ，式扶梯质量 /40 塔设备总高 =已知高度 裙座高度 =14960060=176208m 塔设备总高取为 18m, 笼式扶梯总高取为 台数量 则 = 2 =作时 塔内物料质量 05m （ 查 化工设备机械基础课程设计指导书附表 4 封头容积 110205 孔、接管、 法兰等附件质量 )(按经验取附件质量为=液质量 )(, 24 02 = 1 0 =设备的操作质量 ea 05040302010 = =机械工程学院毕业设计 第 28 页 /共 50 页 设备的最大质量 04030201m a x =设备的最小质量 ea 04030201m i n =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 )(1 过程设备设计第二版 （ 7第一振型计算式：1 0 3 (3 m 其中 m 为塔单位高度上的质量即 0所以 01 = )(6624.0 s 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。 首先，选取计算截面（包括危险截面）。该课题中将全塔分为 4 段。其计算截面分别为 0123中 012。 由过程设备设计第二版表 7场地土的特性周期为械工程学院毕业设计 第 29 页 /共 50 页 由过程设备设计第二版表 7时地震影响系数最大值为 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 =m TT g = = 设等直径、等壁厚塔设备的任意截面 距地面的高度为 h ，基本振型在截面 处产 生的地震弯矩为)41410( 式中 m 为塔单位高度上的质量即 0当塔设备 H/D 15或 H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 k 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 0000 M 计算 由此可得 底截面处地震弯矩 10000 =516 18000 =710 截面 1 11111 000410001 8 0 00141 8 0 00101 8 0 00175 机械工程学院毕业设计 第 30 页 /共 50 页 710 截面 2 12222 000430001 8 0 00141 8 0 00101 8 0 00175 710 载荷与风弯矩的计算 各计算段的外径均为2=1000+2 6=1012顶管线外径：塔顶管线是气体的出口，已知 设计压力： 计温度： 120 常温常压下 气体密度： 体流量： m3/s 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： 000求得0 0 =m3/s 操作气速为 u =s 则，塔顶管线外径C20 =整后取0d=350 i 段 保温层厚度知为 100取管线保温层厚度100式扶梯当量宽度3K=400 取各段平台构件的投影面积 A 为 9 510 2 操作平台当量宽度042 机械工程学院毕业设计 第 31 页 /共 50 页 塔设备迎风面的有效直径 当笼式扶梯与塔顶管线布置成 180时 22 043 当笼式扶梯与塔顶管线布置成 90时 ,432 22 04 风压高度变化系数可根据各计算段顶截面距地面高度 查 过程设备设计第二版表 7 体型系数 1K 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 1K =风振系数 2K 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 0 的塔设备，取 对于塔高 H ，则 2K 按下式计算 12 在此设计中，塔高 H = 故风振系数 2K =求出塔设备自振周期 1T ， 查化工设备机械基础表 17似取衡阳地区基本风压值为 350 2/210350 2)=设土地粗糙度类别为 由 210程设备设计第三版表 7脉动增大系数 = 查表 7动影响系数 i 分别为 1 =2 =3 =4 =第 i 段振型系数可根据 查 7各计算段的水平风力21 610 机械工程学院毕业设计 第 32 页 /共 50 页 将以上讨论数据整理如表 4 4计算内容 数据 0 1 1 2 2 3 3顶 各计算段的外径 1012 塔顶管线外径0d( 350 第 i 段 保温层厚度 100 管线保温层厚度 100 笼式扶梯当量宽度3计算段长度il( 1000 2000 7000 8000 操作平台所在计算段长度0l( 1000 2000 7000 8000 平台数 n 0 0 1 1 操作平台当量宽度042 0 0 25 各计算段的有效直径 432 1612 1612 1869 1837 22 04 1762 1762 2019 1987 各计算段顶截面距地面高度m ) 1 3 10 18 风压高度变化系数 型系数 1K 振系数 2K 械工程学院毕业设计 第 33 页 /共 50 页 塔设备自振周期 1T (s ) 10动增大系数 动影响系数i 第 i 段振型系数计算段的水平风力588 866 6818 塔设备任意截面 处的风弯矩 下式计算： )2()2()2(2 2121211 塔设备底截面的风弯矩为 )2()2()2(2 4321432132121100 代入数值得 00588 21000 + 220001000 ） +4866（ 27 0 0 02 0 0 01 0 0 0 ）+6818（28 0 0 07 0 0 02 0 0 01 0 0 0 ） = 810 1)2()2(2 43243232211 代入数值的得 11 22000 ） +4866（ 270002000 ） +6818（28 0 0 07 0 0 02 0 0 0 ） = 810 2)2(2 4343322 带入数值得 机械工程学院毕业设计 第 34 页 /共 50 页 224866（ 27000 ） +6818（ 280007000 ） = 810 心弯矩 该塔设备中无再沸器，故偏心弯矩为 0。 大弯矩 最 大弯矩取M 和 计算数据如表 2 表 4计算内容 计算公式及数据 0 0截面 1 1截面 2 2截面 M 810 810 810 810 810 810 最大弯矩 810 810 810 度校核 筒轴向力校核和圆筒稳定校核 由设计压力引起的轴向应力 41 =64 =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 02= =最大弯矩引起的轴向应力 2 ，由此式可计算出： 012查过程设备设计第二版附表 t 为机械工程学院毕业设计 第 35 页 /共 50 页 114 为 113载荷组合系数 K 等于 数 = 6/据 程设备设计第二版图 4 018 设计温度下的系数 B=93 许用轴向压应力 取 t 中较小值 对内压容器圆筒最大组合压应力32 ， 最大组合拉应力321 Kt 就满足要求 数据整理如表 3 表 4计算内容 计算数据 0 0 1 1 2 2 t 04 04 圆筒最大组合压应力（32 ） 2 满足要求 圆筒最大组合拉应力（321 ） 21 Kt 满足要求 设备压力试验时的应力校核 进行压力试验时，试验压力 tT
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