板式精馏塔筛板塔的设计毕业论文

1、学学 号：号：200803090102 hebei united university 毕毕 业业论论文文 graduate thesis 设计题目：设计题目：dn1500 板式精馏塔设计板式精馏塔设计-第一段第一段 学生姓名：刘学生姓名：刘 伟伟 专业班级：专业班级：0808 过程装备与控制工程一班过程装备与控制工程一班 学学 院：机械工程院：机械工程 指导教师：程相文指导教师：程相文 教授教授 2012 年年 05 月月 20 日日 摘要 -i- 摘 要 塔设备是化工、石油化工和炼油、医药、环境保护等工业部门的一种重要 的单元操作设备。塔设备的设计包括两个部分：工艺设计和机械设计。机械设

2、计部分要解决的问题，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。其校核内容主要包括：质量载荷、地震载荷、风载荷等，还 包括强度及稳定性校核。图纸包括一张装配图和零件图。 完成筛板精馏塔成套装置主体部分结构设计，结构设计是指压力容器设计 部分，即计算塔的壁厚，封头的结构及尺寸，精馏塔附件设计，接管设计等内 容。 辅助装置及附件结构设计:接管的设计与相关法兰的选用、除沫器、人孔及 其附件的设计。 全塔校核：包括塔体与封头厚度的确定、塔设备质量载荷及自振周期的计 算、地震载荷与地震弯矩、风载荷与风弯矩计算、圆

3、筒轴向应力和圆筒稳定性 校核、塔设备压力试验时的应力和裙座轴向应力的校核. 关键词: 分块式塔盘;不等壁厚;筛板塔;类压力容器 abstract -ii- abstract tower equipment is chemical, petrochemical and refining, pharmaceutical, environmental protection, and other industrial department is a kind of important unit operation equipment. the design of the tower equipment

4、 consists of two parts: the process design and mechanical design. mechanical design part of problem to solve, in addition to determine the details of the tower equipment structure outside, more important is to do all kinds of work check, in order to ensure that the design of the tower equipment can

5、not only finish the normal operation, and must comply with the national safety production standards. check the content mainly includes: quality load, earthquake loads, the wind loading, etc, also including the strength and stability are checked. drawings including a assembly drawing and drawing. com

6、plete body of complete set of equipment of the column plate structure design, structure design is the design of pressure vessels parts, namely calculation of the tower wall thickness, the head of the structure and size, design of the column accessories, and took over the design, etc. auxiliary equip

7、ment and accessories structure design: take over the design and the related flange of selecting, except the foaming machine, manhole and its annex design. the tower check: including tower body and the head of the thickness is sure, tower equipment quality load and natural vibration period of calcula

8、tion, earthquake loads and seismic moment, the wind load and the wind bending moment calculation, cylinder axial stress and cylinder stability checking, tower pressure test equipment of stress and axial stress of skirt a check. key words: block type tray; differ wall thickness ;screen panel tower 目

9、录 -iii- 目 录 摘 要.i abstract.ii 第一章 概述.1 1.1 塔设备概论.1 1.2 常压塔的工作原理及工艺曲线 .1 1.2.1 常压塔的主要结构 .3 第二章 板式精馏塔基本结构的设计.5 2.1 设计条件 .5 2.2.塔高的确定 .5 2.3 塔盘设计 .7 2.3.1 塔盘形式及设计 .7 2.3.2 塔盘的结构设计.8 2.3.3 塔盘板 .8 2.4 附件设计 .12 2.4.1 人孔 .12 2.4.2 接管 .12 2.4.3 管法兰 .13 2.4.4 吊柱 .16 2.4.5 操作平台与梯子 .16 2.4.6 保温层 .17 2.4.7 裙座 .

10、17 第三章 精馏塔设备强度和稳定性计算.19 3.1 材料的选择 .19 3.1.1 筒体和封头材料的选择 .19 3.1.2 裙座材料的选择 .19 3.1.3 接管的材料 .19 3.2 厚度计算 .19 3.2.1 厚度计算过程步骤 .19 3.2.2 厚度计算 .20 3.3 设备质量载荷计算.21 3.3.1 塔体圆筒、封头、裙座质量.21 3.3.2 塔内构件质量.21 3.3.3 保温层质量.22 3.3.4 平台、扶梯质量.22 3.3.5 操作时的物料质量.22 3.3.6 附件质量.23 3.3.7 冲水质量.23 3.3.8 偏心质量.23 3.3.9 塔体分段.23

11、目 录 -iv- 3.4 风载荷与风弯矩的计算 .25 3.5 地震载荷和地震弯矩的计算 .27 3.6 偏心质量引起的偏心弯矩 .28 3.7 各种载荷引起的轴向应力 .28 3.7.1 设计压力引起的轴向应力.28 3.7.2 操作质量引起的轴向压应力.29 3.7.3 最大弯矩引起的轴向应力.29 3.8 塔体和裙座危险截面的强度和稳定性校核 .30 3.9 塔体水压试验和吊装时的应力校核 .31 3.9.1 塔体水压试验应力校核.31 3.9.2 吊装时的应力校核.34 3.10 塔盘的机械计算 .34 3.10.1 塔盘的载荷.35 3.10.2 塔盘构件的允许挠度和许用应力.35

12、3.10.3 塔盘零件的最小厚度.36 3.10.4 塔盘支承梁的设计.36 3.10.5 核算板式塔的自身梁式塔盘板.36 3.11 基础环设计 .40 3.12 地脚螺栓的设计 .41 3.13 盖板 .42 3.14 立板 .43 第四章 开孔补强.44 4.1 补强的判据 .44 4.2 对人孔和检查孔进行补强 .44 4.2.1 补强计算方法判别.44 4.2.2 开孔所需补强面积.45 4.2.3 有效补强范围.45 4.2.4 有效补强面积.45 4.2.5 有效补强范围.46 4.3 对去再沸器入口进行补强 .46 4.3.1 补强计算方法判别.46 4.3.2 开孔所需补强面

13、积.47 4.3.3 有效补强范围.47 4.3.4 有效补强面积.47 4.3.5 有效补强范围.48 4.4 再沸器返回口和塔顶气项出口 .48 4.4.1 补强计算方法判别.48 4.4.2 开孔所需补强面积.48 4.4.3 有效补强范围.49 4.4.4 有效补强面积.49 4.4.5 有效补强范围.50 第五章 主要零部件的制造工艺.51 5.1 筒体制造 .51 5.1.1 原材料准备 .51 目 录 -v- 5.2 封头 .52 5.3 塔设备的制造 .52 5.4 塔体及塔盘的制造技术条件的规定 .53 设计小结.54 参考文献.55 致 谢.58 第一章 概述 -1- 第一

14、章 概述 1.1 塔设备概论 塔设备是化工、石油化工和炼油、医药、环境保护等工业部门的一种 重要的单元操作设备。它的作用是实现气（汽）液相或液液相之 间的充分接触，从而达到相际间进行传质及传热的目的。可在塔设备中完 成的常见的单元操作有：精馏、吸收、解吸和萃取等。此外，工业气体的 冷却与回收、气体的湿法净制和干燥，以及兼有气液两相传质和传热的增 湿、减湿等。 塔设备应用面广、量大，其设备投资费用占整个工艺设备费用的比例 较大。在化工或炼油厂中，塔设备的性能对于整个装置的产品产量、质量、 生产能力和消耗定额以及三废处理和环境保护等方面都有重大的影响。因 此，塔设备的设计和研究受到化工、炼油行业的

15、极大重视。 为了使塔设备能更有效、更经济地运行，除了要求它满足特定的工艺 条件外，还应满足以下要求： 1 1.气液两相充分接触，相际间传热面积大； 2.生产能力大，即气液处理量大； 3.操作稳定，操作弹性大； 4.阻力小，即压降小； 5.结构简单，制造、安装、维修方便，设备的投资及操作费用低； 6.耐腐蚀，不易堵塞。 塔设备的分类： 1.按操作压力分有加压塔、常压塔及减压塔； 2.按单元操作分有精馏塔、吸收塔、介吸塔、萃取塔、反应塔、干燥 塔等； 3.按内件结构分有填料塔、板式塔。 1.2 常压塔的工作原理及工艺曲线 精馏是化工生产中分离互溶液体混合物的典型单元操作，其实质是多级蒸 馏，即在一

16、定压力下，利用互溶液体混合物各组分的沸点或饱和蒸汽压不同， 使轻组分（沸点较低或饱和蒸汽压较高的组分）汽化，经多次部分液相汽化和 部分气相冷凝，使气相中的轻组分和液相中的重组分浓度逐渐升高，从而实现 河北联合大学机械工程学院 -2- 分离。精馏过程的主要设备有：精馏塔、再沸器、冷凝器、回流罐和输送设备 等。精馏塔以进料板为界，上部为精馏段，下部为提留段。一定温度和压力的 料液进入精馏塔后，轻组分在精馏段逐渐浓缩，离开塔顶后全部冷凝进入回流 罐，一部分作为塔顶产品（也叫馏出液） ，另一部分被送入塔内作为回流液。回 流液的目的是补充塔板上的轻组分，使塔板上的液体组成保持稳定，保证精馏 操作连续稳定

17、地进行。而重组分在提留段中浓缩后，一部分作为塔釜产品（也 叫残液） ，一部分则经再沸器加热后送回塔中，为精馏操作提供一定量连续上升 的蒸气气流。 精馏操作分为连续精馏和间歇精馏，本设计的研究对象是连续精馏的过程。 连续精馏的流程装置如下图所示，其操作过程是：原料液经预热加热到一定温 度后，进入精馏塔中的进料板，料液在进料板上与自塔上部下降的回流液体汇 合后，在逐板下流，最后流入塔底再沸器中，液体在逐板下降的同时，它与上 升的蒸汽在每层塔板上相互接触，同时进行部分汽化和部分冷凝的质量和能量 的传递过程。操作时，连续从再沸器中取出的部分液体作为塔底产品，部分液 体汽化产生上升蒸汽，从塔底回流入塔内

18、出塔顶蒸汽进入冷凝器中被冷凝成液 体，并将部分冷凝液用泵送回塔顶作为回流液体，其余部分经冷却器后被送出 作为塔顶产品。 第一章 概述 -3- 图 1.1 连续精馏装置工艺流程图 2 1.2.1 常压塔的主要结构 在塔设备的类别中，由于目前工业上应用最广泛的是填料塔及板式塔， 所以主要考虑这两种类别。 板式塔较填料塔而言其效率更高，更稳定，液气比适用范围大，持 液量较大，安装、检修更容易，造价更低。 板式塔是一种逐级（板）接触的气液传质设备。塔内以塔板作为基本构 件，气体自塔底向上以鼓泡或喷射的形式穿过塔板上的液层，使气液相 密切接触而进行传质与传热，两相的组分浓度呈阶梯式变化。 塔板采用筛孔塔

19、板简称筛板，塔板上开有许多均匀的小孔，筛孔在塔板 上为正三角形排列。塔板上设置溢流堰，使板上能保持一定厚度的液层。操 作时，气体经筛孔分散成小股气流，鼓泡通过液层，气液间密切接触而进行 传热和传质。在正常的操作条件下，通过筛孔上升的气流，应能阻止液体经 筛孔向下泄漏。其优点是结构简单、造价低，板上液面落差小，气体压降低， 生产能力大，传质效率高；缺点是筛孔易堵塞，不宜处理易结焦、粘度大的 物料。 板式精馏塔的总体结构见装配图。板式塔除了各种内件之外，主要由塔 体、支座、人孔或手孔、除沫器、接管、吊柱及扶梯、操作平台组成。 4 a.塔体 3 塔体即塔设备的外壳，常见的塔体由等直径、等厚度的圆筒及

20、上下封头 组成。对于大型塔设备，为了节省材料也有采用不等直径、不等厚度的塔体。 由于本文是大型塔设备，因此采用不等直径、不等厚度的塔体。塔设备通常 安装在室外，因而塔体除了承受一定的操作压力（内压或外压） 、温度外， 还要考虑风载、地震载荷、偏心载荷。此外还要满足在试压、运输及吊装时 的强度、刚度及稳定性要求。本设计中精馏塔为常压 0.4mpa，采用等直径 等不厚度型式。 b.支座 塔体支座是塔体与基础的连接结构。因为该塔设备较高、重量较大，为 保证其足够的强度及刚度，故采用裙式支座。 c.人孔及手孔 为安装、检修、检查等需要，本初馏塔体上设有人孔。 d.接管 用于连接工艺管线，使塔设备与其他

21、相关设备相连接。本初馏塔的主要 河北联合大学机械工程学院 -4- 接管见草图。 e.吊柱 安装于塔顶，主要用于安装、检修时吊运塔内件。此外，还有法兰等其 他结构。 第二章 板式精馏塔基本结构的设计 -5- 第二章 板式精馏塔基本结构的设计 2.1 设计条件 1. 塔体内径 。 mmdi1500 2. 设计压力，设计温度。mpapc40. 0=130tc 3. 设计地区：基本风压值，地震设防烈度为度，场地土类： 2 0 /350mnq 7 类。 4. 塔内装有层筛板塔，每块塔盘上存留介质层高度为,介质=90n54 w hmm 密度为。 5. 沿塔高每 9 块塔板左右开设一个人孔，人孔数为个，相应

22、在手孔处安装11 半圆形平台 11 个，平台宽度为，高度为。900bmm1000mm 6. 塔外保温层的厚度为，保温材料密度为 。 mm s 100 3 2 /300mkg 7. 塔体与裙座间悬挂一台再沸器，其操作质量为./4000 3 mkgme 8. 塔体与封头的材料选用其中 ， 16,mnr 170 t mpa 170mpa , 。 = s 345m pa 5 1.9 10empa 9. 塔体与封头厚度附加量，裙座厚度附加量。=2cmm=2cmm 10. 塔板的浆液管.=224mm d w 2.2.塔高的确定 （1）塔顶空间高度的确定 塔的顶部空间高度是指塔顶第一层塔盘到塔顶封头切线的距

23、离。 为了减少塔顶出口气体中夹带的液体量，顶部空间高度取1000mm （2）塔底空间高度的确定 塔的底部空间高度是塔底最末一层塔盘到塔底下封头切线处的距 离。当进料系统有 15 分钟的缓冲时间容量时，釜液的停留时间可取 35 分钟。本文取塔底部空间高度为。2450mm （3）塔的主体高度的确定 由设计条件可知，本文的塔板数为 90，人孔数为 11。塔板之间的 河北联合大学机械工程学院 -6- 距离应主要考虑的因素有：雾沫夹带、物料的起泡性、操作弹性、安 装和维修的要求。此外，塔板间距与液泛密切相关，塔板间距越大， 越不易发生液泛。综合考虑以上因素，结合塔板间距标准系列，可取 塔板间距为；人孔与

24、上下塔板的距离为；则塔体的主体450mm700mm 高度为： 主体高度= 9*450+700+9*450+700+9*450+700+9*450+700+9*450+700+ 9*450+700+9*450+700+9*450+700+9*450+700+9*450=45150mm （4）标准椭圆形封头 根据 jb/t4737-95 ，选用型号封头作为 19 1500 18 16/4737dnmnr jb t 封头,如图 2-1,其参数如表 2.1 图 2-1 标准椭圆形封头 表 2.1 椭圆形封头参数 公称直径 dn /mm 总深度 h/mm 内表面积 a/m2 容积 v/ m3 直边高度

25、h/mm 质量 m/kg 15004182.550.48725370 （5）裙座的高度 裙座的高度是指从塔底封头切线到基础环之间的高度。裙座结构 简图如下图 2-2 所示，裙座的全部高度有 v 和 u 相加和得到。 其中 u 由工艺决定，在此常压塔设计中可以取裙座总高为 3000mm。 第二章 板式精馏塔基本结构的设计 -7- 图 2-2 裙座结构简图 （6） 塔的总高度 =1000245045150414300052014hmm 2.3 塔盘设计 2.3.1 塔盘形式及设计 选用筛板塔，筛板塔上通常划分为筛孔区、无孔区、溢流堰及降液管等 部分。有溢流堰和降液管的筛板塔，液体从上一层塔板经降液

26、管流下，横向 流过塔板的鼓泡区，经溢流堰进入降液管，然后流入下一层塔板。塔板上所 设溢流堰，使得板上维持一定厚度的液层。上升气流通过筛孔分散成细小的 气泡，在板上液层中鼓泡而出，使得汽液密切接触进行传质。正常操作时， 通过筛孔上升的气流速度，其大小应达到能阻止液体经筛孔向下泄露的数值。 鼓泡区左右两边的弓形面积上不开筛孔，分别是受液区和降液区。降液区内 设置溢流堰和降液管，是板上能维持一定厚度的液层并使溢出的液体流向下 一块塔板。 筛板塔的优点是：结构简单，制造方便、造价低廉，其造价约为泡罩塔 的，为浮阀塔的；压降小，板上液面落差小；生产能力及板效率60%80% 均比泡罩塔高。 筛板塔的溢流堰

27、的高度取。54mm 河北联合大学机械工程学院 -8- 2.3.2 塔盘的结构设计 塔盘按结构分为整块式和分块式两种类型。由于塔径大于 800mm，故采 用分块式塔盘。直径较大的板式塔，为便于制造、安装、检修，可将塔盘板 分成数块，通过人孔送入塔内，装在焊于塔体内壁的塔盘支撑件上。选用自 身梁式。选择具有可调节堰、可拆降液板、自伸梁式塔盘板的单流塔结构。 2.3.3 塔盘板 7,10,3 本文采用自身梁式的分块塔板 （1） 分块式塔板的流程 在分块式塔板中，塔径为 8002400mm 时采用单流塔板，有本 文塔径为 1500mm，因此，采用单流塔径。液体从受液盘流入塔板， 并横过整个塔板，溢流至

28、降液管。这种塔板结构非常简单，液体流 程长，对提高分离效率非常有利。 塔板分成数块，靠近塔壁处分为两块式弓形板，其余塔板块是 矩形板。为了检修方便，矩形板中的一块作为通道板。塔板划分的 块数与塔径有关，按表 2.2 选取。不管塔板分为多少块，中间必须 有一块通道板。 表 2.2 塔板分块数 塔径/mm8001200140016001800200022002400 塔板分块数3456 可知本文取的塔板分块数位 4 块。 （2） 塔板块 塔板的最大宽度以能通过塔体人孔为限，此外还要考虑结构强度、 塔板开孔的均匀性和一定的互换性。塔板可以分为矩形塔板、通道板和 弓形板。 矩形板 图 2-3 为自身钢

29、梁式矩形板，梁和板构成一个整体。矩形板的一 个长边无自身钢梁，另一边有自身梁钢。长边尺寸与塔径、堰宽有感， 短边长度统一取 420mm。 第二章 板式精馏塔基本结构的设计 -9- 图 2-3 矩形板 通道板 通道板为无自身钢梁的矩形平板，是放置在弓形板或矩形板的自 身钢梁上，长边尺寸与矩形板相同，短边长度统一取 400mm。见图 2- 4。 图 2-4 通道板 弓形板 图 2-5 为弓形板。弦边制作成自身梁，其长度与矩形板相同。弧边直径 d 与塔径和弧边至塔壁的径向距离 m 的值有关。当时， g d g 2000mmd ；当时，弧边直径。弓形板的宽度m=20mm g 2000mmd m=30m

30、m g =-2md d e 与、m 和塔板分块数 n 有关，即 g d g e=0.5-377 n-3 -18 n-1 -400-2md 河北联合大学机械工程学院 -10- 图 2-5 弓形板 弓形板放在支承圈、支撑板和受液盘上；矩形板放在支承板、受液盘 和弓形板上；通道板放在的支承板、受液盘、弓形板和矩形板上。各 分块塔板用紧固件紧固在支承板、支承圈和受液盘上。支承板、降液 板、支承圈和受液盘作为支承板的固定件焊接在塔壁上。 （3）塔盘板的结构尺寸 塔盘板的支撑件，支撑圈、支撑板和降液板连接带焊在塔内壁上，用以 支持塔盘板和降液板。塔盘板的结构尺寸见下表 2.3. 表 2.3 塔板结构尺寸

31、塔盘直径支持圈宽度支持板宽度厚度 1500mm50mm50mm10mm 塔盘板外沿与塔内壁间隙为 20mm 与支持圈搭接的塔盘板外沿直径 1496mm 塔盘板与支持圈连接处的紧固件取 60mm 塔盘板之间连接的紧固件间距为 100mm （4）支持件结构 塔盘上的降液板及受液盘，有可拆结构及焊接的固定结构。固定结构的 降液板和受液盘，与支持圈、支撑板一起，都焊在塔壁上，形成塔盘的固定 件。 （5）排液孔 板式塔在停止操作时，塔盘、受液盘、封液盘等应均能自行排净存液， 否则就须开设排液孔。在这些盘中开设一个直径为 8mm 的排液孔。 （6）降液管及受液盘 降液管选用弓形降液管。 第二章 板式精馏塔

32、基本结构的设计 -11- 当降液面积占塔盘总面积的 12%以上时，应选用倾斜式降液管。它的下 部截面为上部截面的 56%，这样可以扩大塔盘的有效面积。一般取倾斜降液 板的倾斜角为 10。可拆式弓形降液管是由焊在塔壁上的连接带，以及可 拆的降液板和紧固件装配而成。用 m10 螺栓紧固时，在降液板间的连接处均 用直径为 12mm 圆孔。在降液板与连接带的连接处，连接带上用直径为 12mm 圆孔，降液板上用 1438mm 的长圆孔，以便于安装、调整。 受液盘选用凹形受液盘。可拆式结构的每个可拆卸零件均应能通过人孔。 在受液盘的下方设加强筋板，则凹形受液盘的深度为 50mm。 封液盘：在塔或塔段最低一

33、层塔盘的降液管末端，应设封液盘，以保证 降液管出口处的液封。 入口堰：当出口堰顶高度大于降液管底边时，在正对第一排气液接触元 件的上游，设置直径 8mm 圆钢或小型角钢构成入口堰。对于分块式塔盘，入 口堰分段地焊在分块的塔盘板上，与塔盘板组成一体。入口堰与塔盘板的连 接，采用间断焊或电阻点焊，须注意防止塔盘板的焊接变形。 出口堰：与可拆式降液管配用的出口堰，可用角钢或用钢板弯成角钢形 状，用紧固件连接到塔盘支持件或降液板上。堰板的两侧用紧固件固定在降 液板的连接带上。塔盘零件的最小厚度见下表 2.4. 表 2.4 塔盘零件的最小厚度 材料塔盘板受液盘降液板 碳钢 333 （7）塔盘支承梁的设计

34、 当塔盘必须设置主梁时，应设法尽量减少主梁高度，以减少它对工艺操 作的影响，并要求在安装时，人员能从梁底下通过。 （8）塔盘紧固件的设计 塔盘板之间的连接可用于螺纹连接紧固件，选上可拆连接型式。 塔盘板与支持板或支持圈的连接用于螺纹卡板紧固件。卡子由卡板、椭 圆垫板、圆头螺栓和螺母组成。卡板与圆头螺栓焊成一个整体，点焊时应使 螺栓尾部沟槽的方向与卡板的长度方向平行，以辨别卡板的方位。当拧紧螺 母时，通过椭圆垫板和卡板，把塔盘板紧固在支持圈上。 河北联合大学机械工程学院 -12- 2.4 附件设计 2.4.1 人孔 人孔的设置应便于人员进入任何一层塔板。由于设置人孔处的塔板间距 要增大，且人孔设

35、置过多会使制造时塔体的弯曲度难以达到要求。所以，每 9 个塔板之间设有一个人孔。开设人孔处的两层塔板中心距离为 700mm。 塔体上采用垂直吊盖人孔。人孔法兰的密封面型式及垫片用材，一般与 塔的接管法兰相同。采用对焊法兰人孔。人孔深入塔内部分应与塔的内壁修 平，其边缘须倒棱或磨圆。设计人孔尺寸为 450mm。由 hg21514-95选 22 取回转盖带颈平焊法兰人孔，凸面结构。 2.4.2 接管 （1） 进料口 进料口的结构，要能防止液体淹没气体通道。进料口的工程直径为 40mm。伸出的长度为 150mm。其接管的上盖板，下盖板，衬板见施工图。直 进料管尺寸见下表 2.5. 表 2.5 直进料

36、管 内管 dg2s2外管 dg1s1 h1 453.5766150 （2） 釜液出口 釜液从塔底出口管流出时，会形成一个向下的漩涡，使塔釜液面不稳定，且 能带走气体。塔釜出口应设置防涡流挡板，釜液出口管直径选择 20mm，伸 出高度为 150mm。引出孔的加强管上，一般应焊支撑板支撑。裙座上应开设 检查孔，选长圆行的检查孔，数量 2 个。取 dn450mm。引出孔、检查孔的加 强管与裙座壳的连接应采用全焊透结构。 （3） 液面计口 为了监视、调整塔釜内流量，塔釜上一定要设置液面计口。结合实际情 况，根据 hg/t21584，选择磁性液面计。 液面计是用来观察设备内部液位变化的一种装置，为设备操

37、作提供依据。 第二章 板式精馏塔基本结构的设计 -13- 它的作用是通过测量液位来确定容器中的物料的量，以保证生产过程中各环 节必须定量的物料，并可以通过它来观察连续生产过程是否正常，以便可靠 地控制过程的进行。 液面计公称直径为 25mm，伸出高度 200mm，2 个液面计。 （6）其他接管形式见下表 2.6. 表 2.6 其他接管形式 名称直径 dn/mm /mm 11 ds/mm 22 ds/mm 2 h 安全阀口 8089*4108*6150 塔顶回流口 100108*4133*6200 再沸器返回口 250273*8325*8200 去再沸器入口 350377*10426*10200

38、 温度计入口 2532*3.557*5150 压力计入口 8089*4108*6150 远传液位计入口 8089*4108*6150 排气孔 8089*4108*6150 2.4.3 管法兰 17 （1） 根据法兰标准欧洲体系 hg20595-97法兰的选用，选择带颈对焊钢制 22 法兰，采用凹面连接型式。如图 2-6。 河北联合大学机械工程学院 -14- 图 2-6 法兰 表 2.7 管法兰尺寸表 管口 安全 阀口 塔顶 回流 口 再沸 器返 回口 去再 沸器 入口 温 度 计 入 口 压力计 入口 远传 液位 计入 口 排气孔人孔 公称直 径 dn 80100250350258080804

39、50 管外径 8910827337732898989480 法兰外 径 d 200220450520115200200200640 螺栓孔 中心圆 直径 k 16018035547085160160160585 螺栓孔 直径 l 18182626141818 1830 第二章 板式精馏塔基本结构的设计 -15- 螺栓孔 数量 n 881216488 820 螺纹 th m16m16m24m24m12m16m16m16m27 法兰厚 度 c 20202630182020 2040 n11814029840052118118118502 法 兰 颈 r68121246 6 6 12 法兰高 度 h

40、 34404657283434 3468 注：以上数据按照法兰欧洲体系 hg20595-97 标准选取。 凹凸面安装时易于对中，还能有效地防止垫片被挤出压紧面，适用于公 称压力小于等于 6.4mpa 的容器法兰和管法兰。 接管的加固： 对于 dn 小于等于 25mm，伸出长度大于等于 150mm 以及 dn=3250mm， 伸出长度大于等于 200mm 的接管，应采用变径管加固或设置筋板予以支撑。 接管伸长量： 根据标准 hb20583-1998，保温层厚度为 100mm 时，选取最小伸出长度见下 表. 表 2.8 保温层厚度 接管公称直径最小伸出长度 1050 150 70200 200 接

41、管插入设备筒体中长度,见下表 2.9： 表 2.9 接管插入设备筒体长度 接管公称直径接管外径接管插入的长度 3503628 1001082.5 40450.5 25320.5 河北联合大学机械工程学院 -16- 80891 20250 2502626.5 45046219.7 （2） 紧固件的选择 根据标准 hg20613-97，密封面型式是凸面。 在公称压力小于等于 4.0mpa 非剧烈循环场合用双头螺柱 gb901-b 级材 料 0cr18ni9 性能等级 8.8，螺母材料 0cr18ni9 性能等级 8。粗牙。 2.4.4 吊柱 对于较高的室外无框架的整体塔，在塔顶设置吊柱，对补充和更

42、换填料， 安装和拆卸内件，是既方便又经济的一项设施。一般高度在 15m 以上的塔， 都须设置吊柱。 吊柱设置方位应使吊柱中心线与人孔中心线间有合适的夹角，使人能站 在平台上操纵手柄，让经过吊柱的垂直线可以转到人孔附近。 吊柱立柱为 20无缝钢管，其它各部件采用 a3。吊柱与塔连接的衬板 应与塔体的材料相同。 2.4.5 操作平台与梯子 操作平台的材料：平台全为钢结构，材料一般为235-qaf 操作平台应设置在人孔、手孔、塔顶吊柱、液面计等需要经常检修和操 作的地方。操作平台应布置得在检修时不再需要另外设置脚手架和缆索。塔 上每隔 5m 安装一层操作平台，共 10 层，平台宽 1.2m，单位质量

43、 150kg/ m2 ，包角 180。 平台边缘与塔壁之间应留出一定间隙，以便于进行设备的保温、涂漆 工作。有保温时，至保温层表面的间隙为 50mm。支撑平台的槽钢梁一般应 沿平台外周围等分安排相邻间距为 1000mm。平台栏杆用直径为 5mm 的黑铁 管制成。管端应予封闭，以防腐蚀性气体进入。栏杆高度 1000mm。当安装 标高在 15m 以上的平台时，栏杆高度宜用 1.2m，中间还需用双横杆。栏杆 第二章 板式精馏塔基本结构的设计 -17- 的立柱许用牢固的型钢制造，立柱间距 1000mm。 选择笼式扶梯，笼梯相邻护圈的间距为 1.2m。在平台通道开口处以下 的笼梯护圈，应在平台下 100

44、0mm。 梯子自塔体、保温层外表面的距离为 300mm。梯子最低一级踏步应高出 地面 300mm。相邻踏步的间距一般取 300mm。梯子的材料一般采用235qaf 。高温操作的塔，连接板应与塔体完全焊透，焊缝应打磨光洁，以减少 21 热应力的影响。 2.4.6 保温层 保温层选择微孔硅酸钠，厚度是 100mm，保温材料密度 300kg/m3。 保温层延伸到裙座与塔体的连接焊缝以下 400mm 止，裙座其余部分不 需保温层。 塔内原油易燃易爆，一旦发生火灾，裙座会因为温度变高而丧失强度， 以致倒塌，所以裙座需要防火。内外侧须敷有 50mm 的石棉水泥层。 2.4.7 裙座 3 裙座高 3000m

45、m。 由于裙座不直接与塔内介质接触，也不承受塔内介质的压力，因此不受 压力容器用材的限制。可选用较经济的普通碳素结构钢。故也选用 q345r。受力情况较好，且塔径较大，则不需要配置较多的地脚螺栓，选 21 用圆筒形的地脚螺栓。 焊接采用对接接头形式，裙座筒体外径与封头外径相等，焊缝必须采用 全焊透的连续焊。 地脚螺栓的作用是高塔设备固定在混凝土基础上，以防风弯矩或地震弯 矩等使其发生倾斜。由盖板、垫板、筋板组成。盖板可以分块，需要时也可以 连成环板。 为了制作方便，裙座一般选用圆筒形。对直径小又细高的塔（即，1mdn 且）,为了提高设备的稳定性及降低地脚/251mh/dn30hdndn或，且

46、螺栓与基础环支承面上的应力，可采用圆锥形裙座，本文塔径为 1500mm，且高 径比为 34.67，则采用圆锥形裙座。其结构简图如图 2-8 所示。 河北联合大学机械工程学院 -18- 图 2-8 裙座结构 第二章 板式精馏塔基本结构的设计 -19- 第三章 精馏塔设备强度和稳定性计算 3.1 材料的选择 3 3.1.1 筒体和封头材料的选择 在刚度或结构设计为主的场合，应尽量选用普通碳素钢。在以强度设计 为主的场合，应根据压力、温度、介质等使用限制，选用 16mnr 系列的碳素 钢。由于容器设计压力为 0.4mpa，使用温度为 130，故筒体和封头都选用 16mnr 的钢板。由于椭圆形封头吸取

47、了半球形封头受力均匀和蝶形封头受力 浅的优点，且椭圆部分经线曲率变化平滑连续，应力分布比较均匀，所以选 择椭圆形封头。 3.1.2 裙座材料的选择 裙座不直接与塔内介质接触，也不承受塔内介质的压力，因此不受压力 容器用材的限制。可选用较经济的普通碳素结构钢。故也选用 16mnr。 3.1.3 接管的材料 选用 q235-b 作为补强圈的材料，部分接管用 20，法兰选用 20。具体将 在装配图上注明。 3.2 厚度计算 3.2.1 厚度计算过程步骤 安装在室外的大型塔设备常压装置精馏塔，除受操作压力作用外， 还受设备自身质量引起的重力，地震、风载荷等的作用，而引起的轴向应力。 从而可能使轴向组合

48、应力，大于设计压力而引起的环向应力，而使设备因轴 第三章 板式精馏塔设备强度和稳定性计算 -20- 向应力过大而破坏。因此我国 jbt47102005钢制塔式容器规定对高度大 于 10m，且高度与直径之比大于 5 的裙座自支承塔式容器，按设计压力计算确 定塔壳的圆筒和封头的有效厚度后，再根据地震、风载荷的需要，并考虑制造、 运输、安装的要求，设定一个不得小于按压力计算的圆筒有效厚度，且应 e es 不小于 6mm。然后进行载荷计算，圆筒应力校核和裙座计算，校核设定的、 e 是否合适，以确保塔式设备的环向、轴向强度和稳定性。 es 3.2.2 厚度计算 主要有筒体、封头、裙座壳的壁厚设计。 （1

49、）圆筒和封头壁厚设计 设计压力 p=0.4mpa，设计温度 t=130 筒体和封头材料均选 16mnr， 。 查 gb1501998 中表 41 可得： t s =170a=170mpa=345ampmp， a.对于筒体： 考虑采用双面对接焊，局部无损探伤，焊接接头系数取 =0.85， 计算压力 6 pcpp0.4mpa1350 9.81522.6101.054mpa 静 （）（） 0.4pc 由于 则筒体计算厚度 1.054 1500 5.49 2 170 0.85 1.054 2 ci t c pd mm p 按 jbt4710-2005钢制压力容器之规定，低合金钢塔式容器在塔壳加 27

50、工成型后有效厚度最小为 = =3mm，加上腐蚀裕量 c,其中 2 1000 i d2 1500 1000 ;取 20 米以下的筒体厚度为 18mm，取 20 米以上的筒体厚度为 12 ccc 16mm(由于塔体高度为 50 米,为了节省材料,取不同壁厚).其中 c1=0，c2=2mm。 b.对于封头： 河北联合大学机械工程学院 -21- 封头计算厚度： = =5.47mm h= 2 0.5 ci t c pdk p 1.054 1500 1 2 170 0.850.5 1.054 同样可取下封头名义厚度为 18mm，上封头的名义厚度为 16mm,其中 c1=0，c2=2mm。 （2）裙座壳厚度

51、 取裙座壳有效厚度 16mm，其名义厚度为 18mm。 3.3 设备质量载荷计算 3.3.1 塔体圆筒、封头、裙座质量 01 m （1） 、圆筒质量 1 m 查常用容器压力设计手册表 13-1.5 有 mm，的圆1500dnmm14 筒每米质量为 519.4；mm，的圆筒每米质量为 669.6.1500dnmm18 故 1 519.4 31.6669.6 1727796.24m （2） 、封头质量 2 m 查常用容器压力设计手册表 13-5-2 有 dn=1500mm，直边高度为 40，曲 面深度为 400 的标准椭圆形封头质量：当，；当mm18370 , m ，.mm14 9 . 285 ,

52、 , m 则 9 . 655 9 . 285370 , , 2 mmm （3） 、裙座质量 3 m 8 . 20083 6 . 669 3 m 故30461 8 . 2008 9 . 65524.27796 3101 2 mmmm 3.3.2 塔内构件质量 02 m 查化工容器及设备设计手册表 16-1 得筛板塔盘单位质量 65 3 103389065 4 2 02 dim 第三章 板式精馏塔设备强度和稳定性计算 -22- 3.3.3 保温层质量 03 m 已知保温材料密度为，故通过以下计算可求得保温层的质300 3 m 量 22 031112 22 22220 22 22 222 4 222

53、2 4 0.7851.52 0.0182 0.11.52 0.01817 300 0.7851.52 0.0142 0.11.52 0.01431.6 30060 7530 isi isis mddh ddhm kg 3.3.4 平台、扶梯质量 04 m 查化工容器及设备设计手册表 16-1 平台质量为 150，笼式扶梯 3 质量为 40m，笼式扶梯总高为 51m，平台数量为 11，平台宽度为 900，高 度为 1000。则 22 04111 22 222 22 2 1 22222 42 1 222-22 42 0.7851.52 0.0182 0.12 0.91.52 0.0182 0.10

54、.5 4 150 0.7851.52 0.0142 0.12 0.91.52 0.0142 0.1 isisp isispff mdbdn q dbdn qqh 2 0.5 7 15040 51 8177kg 3.3.5 操作时的物料质量 05 m 由物料密度，封头容积为 0.487，塔釜圆筒部分深度为1350 3 m 3 m =46，塔板层数 n=90，塔板上液层高度=54. 0 h w h kg vhdnhdm fiwi 12361 1350487 . 0 1350046 . 0 5 . 1785 . 0 135090054 . 0 5 . 1785 . 0 44 22 110 2 1 2

55、 05 河北联合大学机械工程学院 -23- 3.3.6 附件质量 a m 按经验取附件质量为kgmma76153046125 . 0 25 . 0 01 3.3.7 冲水质量 w m kgvhdm wfwiw 868571000487 . 0 21000 6 . 485 . 1785 . 0 2 4 2 0 2 其中， 3 /1000mkg w 3.3.8 偏心质量 e m 因在塔釜安装再沸器，产生偏心质量。4000 e m 3.3.9 塔体分段 由风压高度变化系数随高度的变 化,将全塔分为十段,分段形式见 右图 3-1. 图 3-1 塔体分段 各段质量见下表 3.1. 第三章 板式精馏塔设备

56、强度和稳定性计算 -24- 表 3.1 各段质量 塔段 0-11-22-33-44-55-66-77-88-99-10 总计 塔段 长 100020002000500050005000100001000010000200052000 人孔 与平 台数 001111222111 塔板 数 0029109201919290 i m01 58611721172292929292929585858585858117230461 i m02 23010341149103422972182218223010338 i m03 303077697697691537153715372757530 i m04

57、40806397597597591515151515155658177 i m05 65748212041204120424082408240838612361 i a m 1462932937327327321464146414642937615 i w m 4873534883688368836176711767117671331586857 i e m 140026004000 i m0 77236325723742775427427150791496414964292180451 i mmin 7722975505753965419539610833110810108331235159

58、842 全塔 操作 质量 01 002030405 80451kg ae mmmmmmmm 全塔 最小 质量 min01020304 0.259842kg ae mmmmmmm 水压 试验 时最 01 max020304 154978kg wae mmmmmmmm 河北联合大学机械工程学院 -25- 大质 量 3.4 风载荷与风弯矩的计算 风载荷计算公式为 n 6 iii0i1i 10 ez dlfqkkp 式中 7 . 0k1 1 形容器，空气动力系数，对圆筒k 200 m n 350q-q基本风压值， 7-16-fi计手册表容器及设备设计简明设风压变化值，查化工 计算段长度-li i zi

59、i zizi f 1k-k 风振系数， 5-16设计手册表工容器及设备设计简明脉动影响系数，查化 i 1 33 3-3 1 =1=1=1 -t =114.8() (-) 10 = .16-42.98 nnn iii i iii iiii hhh ms he ie i 脉动增大系数，根据自振周期， t 259s查化工容器及设备设计简明设计手册表，得 zi- 16-6振型系数，查化工容器及设备设计简明设计手册表 o ei d -90ab塔有效直径，笼式扶梯与进出口布置成，取下式（）、（）中较大者 (a) 43sioiei kk2dd (b) ps 2dk2dd 04sioiei 其中 400 33

60、 kk笼式扶梯当量宽度， 0 44 l a2 kk 操作平台当量宽度， 管线保温层厚度 ps 第三章 板式精馏塔设备强度和稳定性计算 -26- 段保温层厚度塔器第i si mm400dd 00 塔顶管线外径， 将全塔分成 10 段，计算结果列于下表 3.2. 表 3.2 全塔风载荷计算 塔段 0-11-22-33-44-55-66-77-88-99-10 i l 1000200020005000500050001000010000100002000 0 q 350 1 k 0.7 i 0.780.780.780.780.830.830.870.870.890.89 2.98 zi 0.0040