乙醇水溶液提纯精馏塔设计毕业设计.doc

乙乙醇醇水水溶溶液液提提纯纯精精馏馏塔塔设设计计毕毕业业设设计计 目目 录录 1 绪绪 论论 1 1 1 设计背景 1 1 2 设计意义 1 1 3 设计步骤 1 2 精馏塔设计计算精馏塔设计计算 2 2 1 精馏流程的确定 2 2 2 塔的物料衡算 2 2 2 1 查阅文献 整理有关物性数据 2 2 2 2 料液及塔顶 塔底产品的摩尔分数 3 2 2 3 平均摩尔质量 3 2 2 4 物料衡算 3 2 3 塔板数的确定 3 2 3 1 乙醇 水物系的气液平衡数据 4 2 3 2 求最小回流比 及操作回流比 4 2 3 3 求精馏塔的气液相负荷 4 2 3 4 求操作线方程 4 2 3 5 图解法求理论塔板层数 4 2 3 6 求实际塔板数 5 2 4 塔的工艺条件及物性数据计算 6 2 4 1 操作压力 6 2 4 2 平均摩尔质量 7 2 4 3 平均密度 7 2 4 3 1 气相密度 7 2 4 3 2 液相平均密度 7 2 4 4 液体表面张力 8 2 5精馏塔的塔体工艺尺寸计算 9 2 5 1 塔径的计算 9 2 5 2 精馏塔有效高度的计算 9 2 6塔板主要工艺尺寸的计算 9 2 6 1 堰长 9 2 6 2 溢流堰高度 10 2 6 3 弓形降液管宽度和截面积 10 2 6 4 降液管底隙高度 11 2 7塔板布置 11 2 7 1 塔板的分块 12 2 7 2 边缘区宽度确定 12 2 7 3 开孔区面积计算 13 2 8塔版流体力学验算 13 2 8 1 气相通过浮阀塔板的压强降 13 2 8 2 液沫夹带 14 2 8 3 漏液 14 2 8 4 液泛 14 2 9塔板负荷性能图 14 2 9 1 漏液线 15 2 9 2 液沫夹带线 15 2 9 3 液相负荷下限线 16 2 9 4 液相负荷上限线 16 2 9 5 液泛线 16 2 9 6 漏液线 16 3 塔盘的结构设计 19 3 1塔板结构 19 3 1 1 矩形板 19 3 1 2 通道板 22 3 1 3 弧形板 22 3 2受液盘 23 3 2 1 凹形受液盘 23 3 2 2 液封盘 24 3 3降液板 24 3 4支持板和支持圈 25 3 5紧固件结构 25 3 6塔盘机械计算 26 3 6 1 塔盘的载荷 26 3 6 2 塔盘板的允许挠度 27 3 6 3 矩形板稳定性校核 27 3 6 1 塔盘重量估算 27 3 6 2 不同载荷下的稳定性校核 27 3 7本章小结 30 4辅助装置及附件设计 30 4 1接管设计 30 4 1 1 进料管 31 4 1 2 回流管 31 4 1 3 塔釜出料管 31 4 1 4 塔顶蒸气出料管 33 4 1 5 塔釜进气管 33 4 1 6 法兰 33 4 2 塔顶回流冷凝器 34 4 2 1 整体式 34 4 2 2 强制循环式 34 4 3塔底再沸器 34 4 4除沫器设计 35 4 4 1 设计气速的选取 35 4 4 2 除沫器直径计算 36 4 5吊柱 36 4 5 1吊柱的选型 36 4 5 2吊柱的结构 36 4 6 人孔 37 4 7 裙座 38 4 7 1裙座选材 38 4 7 2裙座的结构 38 4 7 2 1 座体 38 4 7 2 2 座体厚度 38 4 7 2 3 裙座与塔体的连接 38 4 7 2 4 裙座缺口 40 4 7 2 5 检查孔 40 4 7 2 6 排气管 40 4 7 2 7 引出管通道 40 4 7 2 8 防火层与保温层 40 4 8 操作平台和扶梯 40 4 9 本章小结 40 5 塔的强度设计和稳定性校核 41 5 1 设计条件 41 5 1 1 塔总体高度 41 5 1 11 塔顶空间高度41 5 1 12 塔底部空间高度 41 5 1 13 开有人孔的板间距 41 5 1 14 裙座高度 41 5 1 1 塔进料板高度 41 5 1 1 塔总体高度 41 5 1 2按计算压力计算塔体和封头的厚度 41 5 111 塔体厚度计算 41 5 112 封头厚度计算 41 5 2 已知条件 42 5 3 塔设备质量载荷计算 42 5 4 自振周期计算 44 5 5 地震载荷与地震弯矩计算 44 5 6 风载荷与风弯矩计算 46 5 7 偏心弯矩及最大弯矩 49 5 8 圆筒轴向应力校核和圆筒稳定校核 49 5 9 塔设备压力实验时的应力校核 50 5 10 裙座轴向应力校核 51 5 11 基础环设计 53 5 12 地脚螺栓计算 54 5 13 校核结果 54 5 15 塔设备质量载荷计算 54 5 14 本章小结 55 6 塔设备的制造 安装及运输 55 6 1 塔设备制造要求 55 6 1 1制造上的要求 55 6 1 1 1 材料检验 55 6 1 1 2 冷热成形 55 6 1 2制造与组装 55 6 1 3焊接及其特点 56 6 1 4热处理 56 6 2大型塔设备的安装 57 6 2 1安装上的考虑 57 6 2 2塔盘的安装 57 6 3塔设备的运输 57 6 3 1运输上的考虑 57 6 3 2铁路运输 58 7总结 58 参考文献参考文献 61 附录附录 1 专题论文 专题论文 62 附录附录 2 翻译部分 翻译部分 69 英文原文英文原文 70 中文译文中文译文 75 致致 谢谢 83 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 论文 第 1 页 1 绪 论 1 1 设计背景 精馏是分离液体混合物 含可液化的气体混合物 最常用的一种单元操作 在化 工 炼油 石油化工等工业中得到广泛应用 1 2 设计意义 乙醇在工业 医药 民用等方面 都有很广泛的应用 是很重要的一种原料 在 很多方面 要求乙醇有不同的纯度 有时要求纯度很高 甚至是无水乙醇 这是很有 困难的 因为乙醇极具挥发性 也极具溶解性 所以 想要得到高纯度的乙醇很困难 要想把低纯度的乙醇水溶液提升到高纯度 要用连续精馏的方法 因为乙醇和水 的挥发度相差不大 精馏是多数分离过程 即同时进行多次部分汽化和部分冷凝的过 程 因此可使混合液得到几乎完全的分离 化工厂中精馏操作是在直立圆形的精馏塔 内进行的 塔内装有若干层塔板或充填一定高度的填料 为实现精馏分离操作 除精 馏塔外 还必须从塔底引入上升蒸汽流和从塔顶引入下降液 可知 单有精馏塔还不 能完成精馏操作 还必须有塔底再沸器和塔顶冷凝器 有时还要配原料液预热器 回 流液泵等附属设备 才能实现整个操作 1 3 设计步骤 塔设备的设计一般主要包括两个部分 工艺设计和机械设计 工艺设计中要初 步确定各阶段混合物的物理特性 由计算得出的具体数据再进行塔板的最基本设计 机械部分要解决的问题 除了确定塔设备的各细节结构外 更重要的就是要做各种 校核工作 以保证设计完成的塔设备不仅能够正常运转 而且必须符合国家安全生 产的标准 然后是画图阶段 图纸包括一张装配图和若干零件图 均采用计算机绘 图 并严格按照设计尺寸进行绘制 本设计的研究的步骤 一 工艺设计计算 1 计算理论塔板数 塔板效率 确定实际塔板数 2 计算塔径 空塔气速 3 塔盘设计 溢流装置设计 进行流体力学计算 绘制塔板负荷 性能图 4 选择塔板间距 初步确定塔高 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 论文 第 2 页 2 精馏塔设计计算精馏塔设计计算 2 12 1 精馏流程的确定精馏流程的确定 乙醇 水溶液经预热至泡点后 用泵送入精馏塔 塔顶上升蒸气采用全冷凝 后 部分回流 其余作为塔顶产品经冷却器冷却后送至贮槽 塔釜采用间接蒸汽再 沸器供热 塔底产品经冷却后送入贮槽 在本设计中 由于流量太大 设计两个精 馏塔 2 2 塔的物料衡算塔的物料衡算 2 2 12 2 1 查阅文献 整理有关物性数据查阅文献 整理有关物性数据 2 2 1 12 2 1 1 水和乙醇的物理性质水和乙醇的物理性质 表 1 1 名 称 分子 式 相对 分子 质量 密度 20 3 kg m 沸 点 101 33kP a 比热容 20 Kg kg 黏度 20 mPa s 导热系数 20 m 表面张力 20 N m 水 2 H O 18 0 2 9981004 1831 0050 59972 8 乙 醇 25 C H OH 46 0 7 78978 32 391 150 17222 8 2 2 1 22 2 1 2 常压下乙醇和水的气液平衡数据 见表常压下乙醇和水的气液平衡数据 见表 常压下乙醇 水系统 t x y 数据如表 1 2 所示 表 1 2 乙醇 水系统 t x y 数据 乙醇摩尔数 乙醇摩尔数 沸点 t 气相液相 沸点 t 气相液相 99 90 0040 0538227 356 44 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 论文 第 3 页 99 80 040 5181 333 2458 78 99 70 050 7780 642 0962 22 99 50 121 5780 148 9264 70 99 20 232 9079 8552 6866 28 99 00 313 72579 561 0270 29 98 750 394 5179 265 6472 71 97 650 798 7678 9568 9274 69 95 81 6116 3478 7572 3676 93 91 34 1629 9278 675 9979 26 87 97 4139 1678 479 8281 83 85 212 6447 4978 2783 8784 91 83 7517 4151 6778 285 9786 40 82 325 7555 7478 1589 4189 41 乙醇相对分子质量 46 07 水相对分子质量 18 02 2 2 22 2 2 料液及塔顶 塔底产品的摩尔分数料液及塔顶 塔底产品的摩尔分数 X 0 064 F 0 15 46 0 150 85 4618 X 0 0 779 D 0 90 46 0 900 10 4618 X 0 002 W 0 005 46 0 0050 995 4618 2 2 32 2 3 平均摩尔质量平均摩尔质量 进料板 M 0 064 46 07 1 0 064 18 02 19 79 kg kmol F 塔顶 M 0 779 46 07 1 0 779 18 02 39 81kg kmol D 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 论文 第 4 页 塔底 M 0 002 46 07 1 0 002 18 02 18 06kg kmol W 2 2 42 2 4 物料衡算物料衡算 已知 D 190 01 60000 1000 39 81 330 24 kmol h 总物料衡算 F D W 易挥发组分物料衡算 0 779 190 01 0 002W 0 064F 联立以上二式得 F 2381 29 kmol h W 2191 28 kmol h 2 32 3 塔板数的确定塔板数的确定 乙醇 水属理想物系 可采用图解法求理论板层数 2 3 12 3 1 由手册查得乙醇由手册查得乙醇 水物系的气液平衡数据 绘出水物系的气液平衡数据 绘出 x x y y 图 见下图图 见下图 2 3 22 3 2 求最小回流比求最小回流比及操作回流比及操作回流比 min RR 采用作图法求最小回流比 在图 1 中对角线上 自点 a 0 779 0 779 作切线 ab 交 y 轴于点 0 000 0 420 故 求得 0 855 D min 1 x 0 420 R min R 取操作回流比为 R 2 2 0 855 1 71 min R 2 3 32 3 3 求精馏塔的气液相负荷求精馏塔的气液相负荷 L RD 1 71 190 01 324 92kmol h V R 1 D 1 1 71 190 01 514 93 kmol h 324 92 2381 29 2706 21 kmol hFLL 514 93kmol h VV 2 3 42 3 4 求操作线方程求操作线方程 精馏段操作线方程为 y 324 92190 01 0 7790 6310 287 514 93514 93 D LD xxxx VV 提馏段操作线方程为 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 论文 第 5 页 2706 212191 28 0 0025 2550 008 514 93514 93 w LW yxxxx VV 2 3 52 3 5 图解法求理论塔板层数图解法求理论塔板层数 采用图解法求理论塔板层数 如图 1 所示 求解结果为 总理论塔板层数 13 5 包括再沸器 T N 进料板位置 9 F N 作图如 1 1 图 1 1 2 3 62 3 6 求实际塔板数求实际塔板数 全塔效率 T E 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 论文 第 6 页 查得 乙醇安托尼方程 3674 49 ln16 67583 226 p t 水的安托尼方程 1657 46 ln7 07406 227 2 p t 泡点方程 B D AB pp x pp 总 用试差法得出 进料板温度 t97 8 F C 塔顶温度t82 1 D C 塔底温度t99 7 W C 平均温度 ttt82 1 97 899 7 t 93 1 33 DFW 平均粘度计算 已知 t 87 3 C 0 327 水 0 430 乙醇 t 93 83 C 0 294 水 0 380 乙醇 所以当 t 93 1 可得 C 0 245 0 49 47 11 T N 2 0 2977 H O 可得 i i x 0 3856 0 0640 2977 1 0 064 0 3033 26 0 3856 C H O i i x 0 3856 0 0640 2977 1 0 064 0 3033 计算相对挥发度 y x 1 17 x y AB D AB y x 12 79 x y AB W AB 3 87 DW 计算塔板效率 T N 0 245 0 49 47 11 T N 实际塔板数 8 17 0 4711 N 精 5 5 12 0 4711 N 提 17 12 29N 总 2 42 4 塔的工艺条件及塔的工艺条件及物性数据计算物性数据计算 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 论文 第 7 页 2 4 12 4 1 操作压力操作压力 塔顶压力 101 3kpa D P 塔底压力 kpa w 350 P 若取每层塔板压强 kpaP 350 101 3 8 6 29 则进料板压力 101 3 17 8 6 247 5kpa F P 精馏段平均操作压力 kpa m 101 3247 5 174 4 2 P 2 4 22 4 2 平均摩尔质量 平均摩尔质量 塔顶 y 0 779 从图中读出 x 0 739 气相 kg kmol V m 0 779 46 07 1 0 779 180239 87 D M 液相 kg kmol L m 0 739 46 07 1 0 739 18 0238 74 D M 进料板 y 0 369 从图中读出 x 0 064 气相 kg kmol V m 0 369 46 07 1 0 369 18 0228 37 F M 液相 kg kmol L m 0 064 46 07 1 0 064 18 0219 82 F M 塔釜 y 0 025 从图中读出 x 0 002 气相 kg kmol Vm 0 025 46 07 1 0 025 18 0218 72 W M 液相 kg kmol L m 0 002 46 07 1 0 002 18 0218 08 W M 精馏段平均摩尔质量 kg kmol Lm 38 74 19 82 29 82 2 M kg kmol Vm 39 8728 37 34 12 2 M 提馏段平均摩尔质量 kg kmol Lm 19 82 18 08 18 95 2 M kg kmol Vm 28 37 18 72 24 04 2 M 2 4 32 4 3 平均密度平均密度 m 2 4 3 12 4 3 1 气相密度气相密度 V m 由理想气体状态方程计算 即 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 论文 第 8 页 精馏段 kg kmol 174 4 34 12 1 95 8 314 89 95273 15 mVm Vm m P M RT 精馏段 kg kmol 298 6 34 12 2 32 8 314 998 75273 15 mVm Vm m P M RT 2 4 3 22 4 3 2 液相平均密度依下式计算液相平均密度依下式计算 即即 1 iiLm a 塔顶液相密度的计算 由82 1 查手册得 D t 739 7 kg 970 5 kg A 3 m B 3 m kg 1 757 9 0 90 739 70 10 970 5 LDm 3 m 进料板液相密度的计算 由97 8 查手册得 F t 720 1 kg 959 9 kg A 3 m B 3 m kg LFm 1 914 2 0 15 720 1 0 85 959 9 3 m 塔釜液相密度的计算 由99 7 查手册得 F t 720 1 kg 959 9 kg A 3 m B 3 m kg LFm 1 957 0 0 005 720 1 0 995 959 9 3 m 精馏段液相平均密度为 757 9 914 2 2 836 0 kg Lm 3 m 提馏段液相平均密度为 757 9 957 0 2 935 6 kg Lm 3 m 2 4 42 4 4 液体表面张力液体表面张力 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 论文 第 9 页 乙醇临界温度 243 水的临界温度 374 2C C 塔顶液体表面张力计算 当乙醇水溶液质量分率为 90 是 查的 N m 3 25 22 7 10 mCDii x T 0 779 243 T 1 0 779 374 2 272 0C 1 21 2 m 25m25 272 082 1 0 727 272 025 CDDLD CD TT TT N m 3 16 55 10 LD 进料板质量分率 15 N m 3 25 41 86 10 mCFii x T 0 064 243 T 1 0 064 374 2 365 80C 1 21 2 m 25m25 365 8097 8 0 749 365 8025 CFFLF CF TT TT N m 3 31 35 10 LF 塔釜质量分率 0 5 N m 3 25 71 90 10 mCWii x T 0 064 243 T 1 0 064 374 2 365 80C 1 21 2 m 25m25 365 8097 8 0 749 365 8025 LWCWF CW TT TT N m 3 53 85 10 LW 16 55 31 37 2 23 95 N m L 3 10 3 10 53 85 31 37 2 42 60 N m L 3 10 3 10 2 52 5 精馏塔的塔体工艺尺寸计算精馏塔的塔体工艺尺寸计算 2 5 12 5 1 塔径的计算塔径的计算 精馏段的气 液 相体积流率为 3600 Vm s Vm VM V 514 93 34 12 2 503 3600 1 95 sm 3 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 论文 第 10 页 s L 3600 Lm Lm LM 324 92 29 28 0 0032 3600 836 0 sm 3 3600 Vm s Vm V M V 514 93 24 04 1 482 3600 2 32 sm 3 s L 3600 Lm Lm LM 2706 21 18 95 0 0152 3600 935 6 sm 3 由 max u V VL C 式中 C 由式计算 其中的由史密斯关联图查取 图的横坐标为 2 0 20 20 L CC 20 C 2 1 V L h h V L 1 2 0 027836 0 0 0256 2 1661 95 1 2 hL hV L V 1 2 0 0152935 6 0 2060 1 4822 32 取板间距 0 40m 板上液层高度 0 07m 则 T H L h 0 40 0 07 0 33m Lt hH 查图得 0 0675 0 0610 20 C 20 C 0 0675 2 0 20 20 L CC 0 2 23 96 0 070 20 0 0610 0 2 20 20 L CC 0 2 42 60 0 071 20 m s max u 836 0 1 95 0 070 1 448 1 95 m s max u 935 62 32 0 071 1 424 2 32 取安全系数为 0 7 则空塔气速为 0 70 0 70 1 448 1 014m su max u 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 论文 第 11 页 0 70 0 70 1 424 0 997m s u max u D m u VS 44 2 503 1 773 3 1416 1 014 m D 4 S V u 4 1 482 1 376 3 1416 0 997 按标准塔径圆整后为 D 1 8m 塔截面积为 2 4 DAT 2 2 545 4 1 8 2 m 实际空塔气速为 m su 2 503 0 983 2 545 2 5 22 5 2 精馏塔有效高度的计算精馏塔有效高度的计算 精馏段有效高度为 17 1 0 40 6 4m T HNZ 1 精精 提馏段有效高度为 12 1 0 40 4 4m T HNZ 1 提提 在进料板上方开一人孔 其高度为 0 8 m 固精馏塔的有效高度为 6 4 4 4 0 8 11 6 m8 0 提精 ZZZ 2 62 6 塔板主要工艺尺寸的计算塔板主要工艺尺寸的计算 2 6 12 6 1 溢流堰装置计算溢流堰装置计算 因塔径 m 可选用单溢流弓型降液管 采用凹型收液盘 各计算如下 1 8D 2 6 12 6 1 堰长堰长 W l 取 0 7 0 7 1 8 1 26 m W lD 堰上液流强度 0 0032 3600 9 143 1 26 h i w L L l 3 mh m 9 143u 稳系数 0 0 min u13 36 1 731 5 u7 71 K 2 8 42 8 4 液泛液泛 为防止塔内发生液泛 将夜管内液层高应服从下式 d Tw HHh 0 5 0 40 059 0 1705 Tw Hhm 而 dpLd Hhhh 222 0 0 0 0027 0 2 0 2 0 2 0 0012 1 26 0 027 s d w L hu l h 0 0893 0 07 0 0012 0 1605m0 2 1 不得小于 0 2 max 0 2 0 23 0 046 k1Z1klk FCm g 0 11 22 33 4 水平地震力 k1 F N 4 69250 276136 9422140 78 垂直地震影响系数 vmax vmax 0 65 max 0 65 0 45 0 2925 操作质量 0 m kg 24119 76 当量质量 eq m kg 取 0 0 750 75 24119 7618089 eq mm 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 论文 第 46 页 底截面处垂 直地震力 0 0 V F N 0 0 max 0 2925 18089 9 8151905 03 VVeq Fmg 0 11 22 33 4 ii m h 4 1 65 10 6 3 90 10 8 1 11 10 8 1 42 10 6 ii i 1 m h 8 2 57 10 1 10 0 ii VVii6 10 kk k 1 417170 1 1 28 10 mh FFmh m h 0 11 22 33 4 垂直地震力 1 1 V F N 3 33787 82242228684 底截面处地震载荷 0 0 E1 M N mm 0 0 110 16 35 EZ MCm gH 8 3 11 10 底截面处地震弯矩 0 0 E M N mm 1 10 088 1 1 251 25 3 11 103 89 10 EE MM 截面 1 1 处地震弯 矩 1 1 E M N mm 1 11 1 1 1 25 EE MM 3 52 53 5 10 2 5 8 8 1 25 10144 175 3 61 10 Z Cm g HHhh H 截面 2 2 处地震弯 矩 2 2 E M N mm 2 22 2 1 1 25 EE MM 3 52 53 5 10 2 5 8 8 1 25 10144 175 3 33 10 Z Cm g HHhh H 5 6 风载荷与风弯矩计算 表 5 4 风载荷与风弯矩计算 计算公式及数据 计算内容 0 11 22 33 4 各计算段的 外径 oi D mm 218002 61812 oiin DD 塔顶管线外 径 O d mm 400 第 i 段保 温层厚 度 si 100 管线保温层100 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 论文 第 47 页 厚度 ps 笼式扶 梯当量 宽度 3 K 400 0 11 22 33 4各计算段长 度 i l mm 1000200097006950 0 11 22 33 4 平台数 0021 0 11 22 33 4 各段平台构 件的投影面 积A 2 mm 00 6 1 64 10 5 8 2 10 4 0 2A K l 0 11 22 33 4 操作平台当 量宽度 4 K 00489 5236 0 ei D Oisi4Ops D2Kd2 0 11 22 33 4 各计算段的 有效直径 ei D mm 261226123101 62848 0 0 11 22 33 4 各计算段顶 截面距地面 的高度 it h m 100030001270019650 根据 it h 0 11 22 33 4 风压高度变 化系数 i f 0 80 80 81 14 体型系 数 1 K 0 7 基本风压值 0 q 2 N m 400 塔设备自振 周期 1 T s 0 58 2 0 1 q T134 56 查表 5 8 20 脉动增大系 数 B 2 04 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 论文 第 48 页 类 查表 5 9 20 0 11 22 33 4 脉动影响系 数 i B 类 0 720 720 720 72 0 11 22 33 4 it h H 0 060 180 581 u 1 0 根据 it h H与 u 查表 5 10 20 0 11 22 33 4 第 i 段振型系 数 zi 0 020 060 451 izi 2i i 1K f 0 11 22 33 4 各计算段的 风振系数 2i K 1 0371 1101 8262 288 6 i12i0i iei 10PK K q f l D 0 11 22 33 4 各计算段的 水平风力 i P N 606 741298 908499 8114455 95 0 0 截面的风 弯矩 0 0 w M N mm 0 0 3124 w1213124123 8 l 2222 3 03 10 llll MPPP llP lll 1 1 截面的风 弯矩 1 1 w M N mm 1 1 324 w232423 8 222 2 79 10 lll MPP lP ll 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 论文 第 49 页 2 2 截面的风 弯矩 2 2 w M N mm 2 2 34 w343 8 22 2 32 10 ll MPP l 5 7 偏心弯矩及最大弯矩 表 5 5 偏心弯矩及最大弯矩 偏心弯矩 计算内容 计算公式及数据 偏心质量 e mkg4000 偏心距 emm200 偏心弯矩 e Mmm 7 4000 9 81 20007 848 10 ee Mm ge 最大弯矩 计算公式及数据 计算内容 0 0 截面1 1 截面2 2 截面 i i We MM 8 3 81 10 8 3 57 10 8 3 10 10 0 25 i ii i EWe MMM 8 4 65 10 8 5 09 10 8 4 69 10 最大弯矩 max i i M N mm 8 4 65 10 8 5 09 10 8 4 69 10 5 8 圆筒轴向应力校核和圆筒稳定校核 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 论文 第 50 页 表 5 6 圆筒轴向应力校核和圆筒稳定校核 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 e mm6 圆筒内径 i Dmm1800 计算截面以上的操作质 量 0 i i m kg 24119 7623746 8321794 68 1 0 35 1800 39 38 44 6 i ei pD 设计压力引起的轴向应 力 1 MPa 0039 38 0 2 i i iei mg D 操作质量引起的轴向应 力 2 MPa 11 7411 5810 85 max 3 2 4 i i iei M D 最大弯矩引起的轴向应 力 3 MPa 49 6946 0638 89 载荷组合系数 K1 2 系数 A 4 0 0940 094 6 4 18 10 900 ei i A R 查表得 150 16MnR 170 t 150 235QA 113 t s 设计温度下材料的许用 应力 t MPa 113113170 查图得 51 16MnR118B 图 4 8 51 235QA 93B 系数 B MPa 9393118 KBMPa111 6111 6141 6 tK MPa135 6135 6204 取以上两者中小值需用轴向压应力 cr MPa 111 6111 6141 6 tK MPa115 26115 26173 4 对内压塔器 满足要求 23 cr 圆筒最大组合应力 23 MPa61 4357 6449 74 对内压塔器 满足要求 123 crK 圆筒最大组合拉应力 123 MPa37 9534 4867 42 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 论文 第 51 页 5 9 塔设备压力实验时的应力校核 表 5 7 塔设备压力实验时的应力校核 计算内容计算公式及数据 试验介质的密度 介质 为水 3 kg cm 0 001 液柱高度 Hcm19650 液柱静压力 9 81H MPa 0 170 有效厚度 ei mm4 筒体内径 i Dmm1800 2 2 截面最大质量 2 2 T m kg 55054 42 试验压力 T pMPa0 35 筒体常温屈服点 s MPa 345 2 2 截面 0 9 s K MPa372 6 2 2 截面 KBMPa141 6 取以上两者中小值压力试验时圆筒材 料的许用轴向压 cr MPa 141 6 试验压力引起的轴向应 力 T MPa 9 81 2 Tiei T ei pHD 136 99 液压实验时 满足要求 136 99 T 0 9 s K 试验压力引起的轴向应 力 1T MPa 1 49 22 4 i T T ei p D 重力引起的轴向应力 2T MPa 2 2 2 23 88 i T T ei mg D 弯矩引起的轴向应 力 3T MPa 2 2 3 2 4 0 3 14 55 We T iei MM D 123 39 89 TTT 液压试验时 满足要求 123 39 89 TTT 0 9 s K 压力实验时圆筒最大组 合应力 MPa 满足要求 23 36 2 TT cr 5 10 裙座轴向应力校核 表 5 8 裙座轴向应力校核 计算内容计算公式及数据 裙座有效厚度 es mm4 裙座筒体内径1800 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 论文 第 52 页 is Dmm 0 0 截面积 sb A 2 mm 4 3 14 1800 42 26 10 sbisis AD 0 0 截面系数 sb Z 3 mm227 3 14 180041 02 10 44 sbiss ZD KBMPa111 6 t s K MPa135 6 取以上两者以上最小值裙座许用轴向应力 MPa111 6 0 0 截面最大弯矩 0 0 max M N mm 8 4 65 10 0 0 截面操作质量 0 0 0 m kg 24119 76 0 0 截面组合应力 MPa 0 0 max0 61 35 sbsb Mm g ZA KB 检查孔加强管长度 m lmm 120 检查孔加强管水平方向 的最大宽度 m bmm 450 检查孔加强管厚度 m mm 6 裙座内直径 im D mm 1800 m A21440 mmm Al 1 1 截面处的裙座筒体的 截面积 sm A 2 mm 2 smimesmmesm ADbA 22200 m Z 22 2 22 imm mes m Db Zl 5 8 36 10 1 1 截面处的裙座筒体截 面系数 sm Z 3 mm 2 42 es smimesmimm ZDb DZ 6 8 61 10 1 1 截面最大弯矩 1 1 max M N mm 8 4 65 10 1 1 截面处的风弯矩 1 1 W M N mm 8 2 79 10 1 1 截面以上操作质量 1 1 0 m kg 23746 83 1 1 截面以上最大质量 1 1 max m kg 56780 14 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 论文 第 53 页 1 11 18 max0 6 4 65 1056780 14 9 81 79 10 8 61 1022200 smsm Mmg ZA KB 1 1 截面组合应力 MPa 1 11 1 max 0 3 We smsm MMmg ZA 40 12 KB 5 11 基础环设计基础环设计 表 5 9 基础环设计 计算内容计算数据及数据 裙座内径 is Dmm1800 裙座外径 os Dmm 218002 41808 osises DD 基础环外径 ob Dmm20018003002100 obis DD 基础环内径 ib Dmm30018003001500 ibis DD 基础环伸出宽度 bmm 1 146 2 obos bDD 相邻两筋板最大外侧间 距 lmm 暂取 160 基础环面积 b A 2 mm 226 1 70 10 4 bobib ADD 基础环截面系数 b Z 3 mm 44 8 6 72 10 32 obib b ob DD Z D 最大质量 max mkg57157 21 操作质量 0 mkg24119 76 0 0 截面的风弯矩 0 0 W M N mm 8 3 03 10 0 0 截面最大弯矩 0 0 max M N mm 8 4 65 10 偏心弯矩 e M N mm 7 7 85 10 基础环材料的许用应力 b MPa 140 b MPa 水压试验时压应力 1b MPa 0 0 max0 1 2 04 b bb Mm g ZA 操作时压应力 2b MPa 0 0 max 2 0 3 W b bb Mmg ZA 3 28 取以上两者中较大值混凝土基础上的最大压 力 maxb MPa3 28 b l 0 912b l 2 maxb b 2 max 69916 48 b b 2 maxb l 2 max 83968 b l 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 论文 第 54 页 对 X 轴的弯矩 x M N mm mm 13919 54 x M 对 Y 轴的弯矩 y M N mm mm 7322 01 y M 取以上两者中大值 计算力矩 s M N mm mm 13919 54 有筋板时基础环厚度 mm 经圆整取 66 13919 54 24 42 140 s b b M 26 b 具体结构尺寸应根据地脚螺栓的设计选取 5 12 地脚螺栓计算 表 5 10 地脚螺栓计算 最小质量 min mkg13103 08 操作质量 0 mkg24119 76 0 0 截面的风弯矩 0 0 W M N mm 8 3 03 10 底截面处地震弯矩 0 0 E M N mm 8 3 11 10 偏心弯矩 e M N mm 7 7 85 10 最大拉应力 1B MPa 0 0 min 1 We B bb MMmg ZA 0 50 最大拉应力 2B MPa 0 00 00 0 0 2 0 25 EWeV B bb MMMm gF ZA 0 805 取以上两者中大值基础环中螺栓承受的最 大拉应力 B MPa 0 由于塔设备需要稳定支撑可设置地脚螺 B 0 50 栓 地脚螺栓个数n36 地脚螺栓材料的许用应 力 bt MPa 对 取235QA 147 bt MPa 地脚螺栓腐蚀裕量 2 C 地脚螺栓取 2 3Cmm 地脚螺栓螺纹小径 1 d 6 12 44 1 19 9 6 10 363 2 3 14 36 147 Bb bt A dC n 故取地脚螺栓满足要求1636M 5 13 校核结果 表 5 10 校核结果 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 论文 第 55 页 塔体圆筒名义厚度 n mm30 满足强度和稳定性要求 塔体封头名义厚度 hn mm30 满足强度和稳定性要求 裙座圆筒名义厚度 en mm30 满足强度和稳定性要求 基础环名义厚度 b mm18 满足强度和稳定性要求 地脚螺栓数36 满足强度和稳定性要求 地脚螺栓公称直径 dmm64 满足强度和稳定性要求 5 14 本章小结 前几章求得塔体的结构尺寸是否合理 需要在本章进行备进行强度 刚度和稳定性 校核 同时确定其他几个这样的结构参数 如地脚螺栓 基础环等 校核时需严格按照 标准执行 如果有校核不通过的情况 应对塔体进行再次设计 6 塔设备的制造 安装及运输塔设备的制造 安装及运输 6 1 塔设备制造要求塔设备制造要求 6 1 1 制造上的要求制造上的要求 对制造工艺要求的严格与否 须根据设备的压力高低 容积的大小 物料性质 温 度高低等因素进行综合考虑 通常 制造的难易主要取决于材料的加工性能 壁厚 以 及结构的复杂程度等因素 6 1 1 16 1 1 1 材料检验材料检验 制造塔设备的材料 除应符合有关材料标准的规定外 还要符合图纸上的要求 由 于板材内部可能存在缺陷 须根据设备的容器分类 压力 温度 钢种与板厚等因素 决定是否需逐张进行超声波检验 6 1 1 26 1 1 2 冷热成形冷热成形 钢板的弯卷加工 实际上是钢板在外力作用下 逐渐发生塑性变形的过程 变形程 度的大小 决定于弯曲半径和钢板的厚度 同样直径的简节 钢板越厚 或同样厚度的 筒节 弯曲半径越小 则钢板的变形程度就越大 钢板弯卷的变形程度 一般都不应超 过材料的临界变形程度 约 5 10 否则在受热时 将引起金属材料的晶粒粗大和脆性 增加 降低了材料的力学性能 16 6 1 2 制造与组装制造与组装 高塔设备大都采用分段制造后交货 到现场组装 为了保证各筒节的组对质量 对 分段处的外圆周长公差应予控制 简节制造中 在几何尺寸上影响质量的主要是焊缝的 对口错边量 不圆度 棱角等 考虑到使用高强度钢时 随着屈强比的增加 塑性变形 范围缩小 调节局部峰值应力的幅度也相应缩小 因此 在可能情况下 应适当提高对 口错边量的要求 对于分段的高塔 大都采用下述两种工艺制造 17 1 与分段处相邻塔的支持圈 受液盘 降掖板的支持板均只点焊 以利现场组装 时焊接环焊缝 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 论文 第 56 页 2 分段制造 分段检查 分段交货的塔体 任意 6m 长度内的筒体弯曲度不得大 于 6mm 当分段长度大于或等于 20m 时 除满足上述条件外 总长度上的弯曲度不得大于 18mm 塔分段的端面应开好坡口 其端面与塔体轴线应垂直 偏差不应大于 0 1 D 且不 超过 2mm 图 6 1 分段焊接坡口形状 6 1 3 焊接及其特点焊接及其特点 焊接是化工设备制造中的主要手段 化工生产要求设备上所有的焊缝不但应严密牢 固 能承受相当高的压力和温度载荷 而且要求能抵抗物料的腐蚀 因此 设备的质量 除钢板本身的质量外 主要取决于焊接的质量 因为它将直接影响到塔设备的使用寿命 和安全运行 为此 焊接前应根据技术要求制定焊接工艺规程 并由考试合格的焊工施 焊 对于大直径薄壁的高塔 当塔盘支持圈焊接到塔体上时 塔体发生局部的径向收缩 另外 高度超过 20m 的塔 大多是分段出厂后 至现场拼接 也会发生焊缝的收缩 对 此 大多采用反向变形的措施后进行组焊 众所周知 对接焊缝的加强高度 是产生应 力集中的部位 加强的高度与应力集中成正比 在不影响焊缝强度的前提下 焊缝高度 应该力求与母材齐平 对接焊缝越宽 角焊缝的焊角高度越大 则线能量也越大 随之 母材越易产生过烧 进而使热影响区晶粒粗大 强度降低 17 6 1 4 热处理热处理 塔设备在制造过程中 必然带来下列问题 由于过量的冷卷 冷矫形等冷加工 所引 起的冷作硬化 由于施焊引起焊缝区组织 性能的变化 因焊接产生的残余应力以及因此 而导致应力腐蚀裂纹的产生和发展等 为了改善这些因素的影响 都需要进行热处理 以消除和降低焊接残余应力 改善其焊缝接头区的塑性和韧性 恢复其因冷作和时效而 损失的机械性能 避免焊件产生裂纹 对于大型的受压容器 随着壁厚的增加 发生脆性破坏的可能性也随着增加 这是 由于随着壁厚的增加 焊接残余应力的分布也更为复杂 即除沿焊缝和垂直焊缝方向存 在着内应力外 沿壁厚方向也存在内应力 也就是说存在着三向应力 这种不利的应力 状态是大厚度的焊接结构 在较低温度下产生低应力脆性破坏的原因之一 焊前预热是防止碳钢 特别是低合金钢焊接裂纹最有效的方法 在厚壁容器焊接时 显得更为重要 尤其是在刚性较大 散热较快的情况下 更应考虑预热 焊后热处理原则上应整体进行 否则就采用分段处理 但重复加热的长度不得小干 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 论文 第 57 页 1500mm 对于大型的高塔设备 因热处理能力所限或由于运输上的限制 而采取分段制 造 现场组焊时 焊后消除应力的热处理 只能就地解决 对于分段制造并经热处理的 塔段 组焊后可分别采用只对环缝做局部热处理和重新做整体热处理两种方法 6 2 大型塔设备的安装 塔设备在石油 化工生产中应用极广 其特点是外形简单 高度和重量大 内部构造 和工艺用途多种多样 因此 安装时应根据塔设备的构造 工艺用途等特点 采取相应 的安装方法 对于板式塔 在安装过程中 应保证塔内组装件相互位置的正确 其中最 重要的是保证塔盘安装的整体水平度 塔盘水平度的偏差取决于塔盘支持圈与塔体组焊 是否正确 6 2 1 安装上的考虑安装上的考虑 塔设备安装的施工工艺过程 主要包括 准备工作 吊装工作 校正工作和内部构件 的安装工作等 塔设备的安装方法可分为分段吊装法和整体吊装法两类 1 分段吊装法是将分段的塔体起吊后 再组装成为一个整体 故对抱杆的要求较低 但是这增加了现场高空作业的工作量 2 整体吊装法是先在地面上将塔设备组装成为一个卧置的整体 然后用抱杆将设备 一次起吊 并安装到基础上就位 6 2 2 塔盘的安装塔盘的安装 塔设备是一种用于两相间接触传质的设