乙醇水精馏塔设计 机械设计部分

1、乙醇（C2H5OH），俗名酒精，是基本的工业原料之一，与酸碱并重，它作为再生能源犹为受人们的重视。工业上常用发酵法（C6H10O5）n和乙烯水化法制取乙醇。乙醇有相当广泛的用途，除用作燃料，制造饮料和香精外，也是一种重要的有机化工原料，如用乙醇制造乙酸、乙醚等；乙醇又是一种有机溶剂，用于溶解树脂，制造涂料。众所周知，在医药卫生方面，乙醇作为消毒杀菌剂而造福于人类。人类餐饮饭桌上饮用各种酒品，乙醇也是其中不可或缺的组成部分，如：啤酒含35，葡萄酒含620，黄酒含815，白酒含5070（均为体积分数）。据有关资料表明，乙醇对人体具有营养价值。现在，乙醇成为了一种新型替代能源乙醇汽油。按照我国的国家

2、标准，乙醇汽油是用90%的普通汽油与10%的燃料乙醇调和而成。它可以有效改善油品的性能和质量，降低一氧化碳、碳氢化合物等主要污染物排放。它不影响汽车的行驶性能，还减少有害气体的排放量。乙醇汽油作为一种新型清洁燃料，是目前世界上可再生能源的发展重点，符合我国能源替代战略和可再生能源发展方向，技术上成熟安全可靠，在我国完全适用，具有较好的经济效益和社会效益。乙醇精馏是生产乙醇中极为关键的环节，是重要的化工单元。其工艺路线是否合理、技术装备性能之优劣、生产管理者及操作技术素质之高低，均影响乙醇生产的产量及质量。工业上用发酵法和乙烯水化法生产乙醇，单不管用何种方法生产乙醇，精馏都是其必不可少的单元操作

3、。本次设计的精馏塔是为了精馏乙醇以得到高纯度的乙醇，要求达到塔顶馏出物浓度（94%（wt）,塔底浓度（0.1%（wt）。本设计采用筛板塔，板式塔有一下优点生产能力大，塔板效率高，压降低，操作弹性大，结构简单。一 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腐蚀速率mm/a设计压力MPa设计寿命 a20工作温度ºC浮阀个数设计温度ºC120浮阀间距介质名称乙醇、水保温材料厚度/mm100介质密度 kg/m31000保温材料密度kg/m3300基本风压 Pa300存留介质高度 mm/49地震烈度7壳体材料Q-235A场地类别内件材料塔形筛板塔裙座材料Q-235A塔板数

4、目48偏心质量 kg3000塔板间距 mm450偏心距 mm1000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g45mm突面回流口b1,2突面温度计h1-325mm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j38mm突面出料口e1,2突面压力计k1-3450 mm突面人孔f127mm突面排气口条件内容修改修改标记修改内容签字日期备注乙醇-水精馏塔设计单位名称化工系3班李黎工程名称提出人李黎日期三 . 塔设备已知条件塔体内径1200场土地类别塔体高度24900偏心品质3000设计压力偏心距1000设计温度/ºC120塔保温层

5、厚度100塔体材料Q-235A保温材料密度300许用应力113裙座材料Q-235B113许用应力113设计温度下弹性模量2×10-5常温屈服点235常温屈服点235设计温度下弹性模量2×10-5厚度附加量2厚度附加量2塔体焊接头系数人孔、平台数5介质密度1000地脚螺线材料Q-235A塔盘数48许用应力147每块塔盘存留介质层高度50腐蚀裕量3基本分压值300个数4地震设防烈度7表二：已知条件列表四 塔设备设计计算1、 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

6、最高工作压力称为容器的最大工作压力用表示，即；取设计压力。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ºC，设计温度可以取为ºC。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34mm，常温下强度指标375MPa、235MPa，设计温度下的许用应力113MPa。（查表8-6）2、 塔体和封头壁厚的计算2.1 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

7、；为除去负偏差以后的圆整值，mm；为名义厚度，mm；为钢板厚度负偏差，mm；为腐蚀裕量，mm。）理论计算厚度，其中指塔体的内径，由工艺部分计算可知=；为焊接头系数，本设计采用双面焊、局部无损探伤，。=对于碳素钢和低合金钢制容器，而<，且（钢板厚度按825mm计）。假设腐蚀裕量=2mm。=+=5mm=52=2.2 封头壁厚的确定根据塔径=1200mm，取用标准椭圆形封头，（查表8-27）可选用EHA的标准椭圆形封头（JB/T 4746-2002），公称直径DN=1200mm，曲面高度300mm，直边高度25mm，内表面积2，容积，厚度6mm，质量77kg。3、设备质量载荷计算塔设备的操作质

8、量：塔设备的最大质量：塔设备的最小质量：3.1 塔体质量单位长度筒体的质量：=/m由工艺部分计算可知塔高H=，取裙座高度h=3m；筒体质量：=裙座质量：由前面可知一个封头质量G=77kg，则有封头质量：77×2=154kg=3.2 塔段内件质量查数据可知筛板塔质量；由工艺部分计算可知塔盘数为N=48块3526.8 kg3.3 保温层质量保温材料密度为300kg/m3，厚度为100mm筒体部分保温层的质量：=封头部分保温层的质量：直边部分曲面部分直边部分：曲面部分近似计算为：内表面积×厚度×密度××300=50kg封头部分质量2×（0.

9、166+50）=所以，=143+100.23=3.4 平台、扶梯质量本设计用5个钢制平台，笼式扶梯，查资料可知刚直平台和笼式扶梯的单位质量分别为：，。=kg3.5 操作时塔内物料质量由工艺部分计算可知精馏段塔盘数为39，；提馏段塔盘数为9，=×=.3.6 附件质量按经验取附件质量×3807.1=3.7 充液质量=3.8 偏心质量当塔设备的外侧挂有分离器、再沸器、冷凝器等附属设备时，可将其视为偏心载荷。本设计中将再沸器挂于塔上，所以再沸器构成塔的偏心质量，再沸器质量为3000kg，偏心距为1000mm。所以=3000kg。3.9 操作质量、最小质量、最大质量 =3807.1+

10、3526.8+243.23+3335.66+951.78+3000=1kg×3526.8+243.23+2950.89+951.78+3000=1kg =3807.1+3526.8+243.23+2950.89+24926.6+951.78+3000=39kg4、 风载荷和风弯距的计算塔设备受风压作用时，塔体会发生弯曲变形。吃到塔设备迎风面上的风压值，随设备高度的增加而增加。为了计算简便，将风压值按塔设备的高度分为几段，假设每段风压值各自均匀分布于塔设备的应分面上。本设计中结合塔高，将风压值分为3段，请参考下图所示。图一：塔设备的风压示意图各段水平风力的计算各段的水平风力可以用下式计

11、算式中各符号的含义：塔设备各计算段的水平风力；空气动力系数，对于圆筒形设备；风振系数，当H20m时，取，当H20m时，按下式计算=(脉动增大系数；第i段的脉动影响系数；第i段振型系数；风压高度变化系数)，本设计中H20m；基本分压值，厂址建在重庆的市区，基本分压为300Pa；第i段计算段长度；塔设备各计算段有效直径，当笼式扶梯与塔顶管线布置成180度时(本设计中按180度处理)，=。=，通过查表近似估算处各段的对0-1段，××300××1×（1210+200+400+127）×10-3对1-2段××300×

12、;×2×（1210+200+400+127）×10-3N对2-3段××300×××（1210+200+400+300+127+2×100）×10-3N对3-4段××300××8×(1210+200+400+300+127+2×100）×10-3N对4-5段××300××8×(1210+200+400+300+127+2×100）×10-3N4.2 危险界面风

13、弯距的计算塔设备的危险接口应取在其较薄弱的部位，如：塔设备的底部00、裙座上人孔或较大管线出孔处的接口11、塔体与裙座连接焊缝处的截面22，本设计将计算这三处塔设备的风弯距。风弯距可以按下式进行计算：.塔底部的风弯距00： =273861裙座上人孔或较大管线出孔处的界面11： =256844塔体与裙座连接焊缝处的截面22 =2235085、 地震载荷和地震弯距计算塔设备在地震波的作用下有三个方向的运动：水平方向振动、垂直方向振动和扭转，其中以水平方向振动危害较大。地震时使塔设备相对于地面运动的惯性力称为地震力。在一般计算中只考虑水平地震力对设备的作用。5.1 地震载荷水平地震载力任意高度处的集

14、中品质引起的基本振型水平地震力/N按下式计算：式中：综合影响系数，取；距地面处的集中品质；对应于塔设备自振周期他T1的地震影响系数值，；基本振型参与系数，=塔设备的自振周期(×105MPa，H=)=取地震烈度为7级可查得；场地土为II近振，特征周期所以有=(0.3/1.61)×。塔设备各段质量可以近似的按下表中的处理5.1.2 垂直地震力塔设备的垂直地震力按下式计算：（；) ，所以有：任意质量处垂直地震力按下式计算：=塔段0112233445长度/m1288各点距地面高度/mm500200059501290020900质量/ kg374/N/N表三：水平、垂直地震力（以上计

15、算均由Excel自动生成）5.1.3 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00底基本振型地震弯距分别按下式进行计算：当塔设备H/D>15或时还需考虑高振型的影响，在进行稳定和其它验算时，可以按下式进行计算：同计算风弯距一样，对危险截面进行地震弯距的计算，因为，所以=6、偏心载荷和偏心弯距的计算由前面计算可知，7、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=Max，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001122，273861256844223508，2.94 ，3032612862442529081609071531091377

16、01，303261286244252908表四：求最大弯距8、塔体危险截面强度和稳定性校核8.1 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：由于重力和垂直地震力引起的轴向应力：（其中仅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：8.2 圆筒稳定性校核圆筒许用轴向应力按下式确定：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：+具体轴向应力求法和校核如下表所示：计算内容计算公式及数据00截面11截面22截面有效厚度，mm筒体内径，mm1200计算截面以上的操作质量，kg1766817294设计压力引起的轴向应

17、力，MPa=00操作质量引起的轴向应力，MPa最大弯距引起的轴向应力，MPa载荷组合系数K系数A设计温度下材料的许用应力查表可知（Q-235A，120度）的=113MPa113113113系数B，MPa117117117KB，MPa许用轴向应力取KB和中的较小者圆筒最大组合应力+对内压容器+（满足条件）圆筒最大组合拉应力对内压容器满足条件表五：轴向应力的求取及校核9、 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

18、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。9.1 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面系数，。）由上计算可知：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：，=303261，0-0截面积和截面系数分别为：=3.14×1200×2.5=9420，0.785×12002×2.5=2.8

19、26×106裙座许用应力：Min ,， Min ,满足条件，材料安全9.2 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hh截面处组合应力按下式进行校核和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：， =90909420×12002×22×（300×1200×）=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=286244，256844，17668kg，10、塔设备压力试验时的应力校核10.1 圆筒应力试验压力引起的周向应力：，本设计采用水压试验，所以=/cm3,

20、试验压力引起的轴向应力：2-2截面处的最大质量和风弯距分别为：=，重力引起的轴向应力：弯距引起的轴向应力：10.2 应力校核液压试验时：从上计算可知，材料安全。11、基础环设计裙座外径：基础环外径：基础环内径：基础环伸出宽度：相邻俩筋板最大外侧间距：基础环面积：基础环截面系数：水压试验时压应力：操作时压应力：混凝土基础上的最大压力：由，可以查得对X轴和Y轴的弯距分别为，计算力矩：有筋板时基础环厚度：取=12mm12、螺栓计算最大拉应力：基础环中螺栓承受的最大拉应力：所以塔必须设置地脚螺栓，取地脚螺栓为6个。地脚螺栓螺纹小径：（其中147MPa），故6M42地脚螺栓满足要求。五、结构设计在板式塔

21、内沿塔高装置了若干层塔盘，液体靠重力作用由塔顶逐盘流向塔底，并在各块塔盘面上形成流动的液层；气体则靠压强差推动，由塔底向上一次穿过各塔盘上的液层而升至塔顶。气液两相在各塔盘上直接接触完成热量和质量的传递，两者组成沿塔高呈阶梯式变化。 塔盘是板式塔内气、液接触的主要元件。塔盘要有一定的刚，以维持水平，使塔盘上的液层深度相对均匀；塔盘与塔壁之间应有一定的密封性，以避免气、液短路；塔盘应便于制造、安装、维修，并且成本要低。 本设计中塔盘设计如下图所示：塔内径1200mm塔盘开孔类型阀孔排列形式正三角形排列塔盘方式分块式塔盘阀孔中心距12mm塔盘间距450mm浮阀个数4005个流程单流程开孔率10.1

22、%降液管型弓形溢流堰堰长700mm堰高精馏段mm；提馏段 49mm表六：塔结构设计六、符号列表英文/希腊中文英文/希腊中文内径，mm基本振型参与系数塔高，m综合影响系数工作压力/设计压力，MPa地震影响系数，地震影响系数最大值设计温度，水平地震力，N计算厚度（理论厚度），mm当量质量，kg名义厚度，有效厚度，mm各类场地土的特征周期，s负偏差，mm截面处的垂直地震力，N腐蚀裕量，mm截面处的地震弯距，除去负偏差以后的圆整值，mm各计算段的外径，有效直径，mm屈服极限，强度极限，MPa塔底管线外径，mm地脚螺栓的许用应力，MPa第i段保温层厚度，管线保温层厚度，mm许用应力，MPa，各计算段长度

23、，有效直径，mm裙座许用应力，MPa笼式扶梯当量长度操作平台当量宽度，mm焊接接头系数风压高度变化系数基本风压值，Pa体型系数质量，偏心质量，kg各计算段的风振系数偏心距，mm各计算段的水平风力保温层厚度，mm截面处风弯距，介质密度，保温层密度，kg/m3操作、最小、最大质量，kg设计压力，操作质量，最大弯距引起的轴向应力，MPa塔设备自振周期，s载荷组合系数各操作段质量，kg压力试验时圆筒材料的许用轴向压应力，MPa各点距地面的高度，mm裙座有效厚度，裙座筒体内径，mm0-0截面积，mm2，0-0截面系数，mm30-0截面操作质量，kg检查孔加强管长度，mm检查孔加强管水平方向最大宽度，mm

24、裙座内径，mm1-1截面处裙座筒体截面积截面系数，mm2，mm3裙座外径，mm，基础环外径，内径，mm基础环伸出宽度，mm基础环面积，mm2相邻筋板最大外侧间距，mm基础环截面系数，mm3基础环材料的许用应力MPa水压试验时压应力，操作时压应力，MPa混凝土基础上的最大压力MPa最大拉应力，MPa基础环中螺栓承受的最大拉应力，MPa地脚螺栓个数min，max最小，最大七、参考文献1 蔡纪宁, 张秋翔. 化工设备机械基础课程设计指导书. 北京: 化学工业出版社, 20052 董大勤. 化工设备机械基础. 北京: 化学工业出版社, 20033 陈国理. 压力容器及化工设备. 广州: 华南理工大学出版社, 19954 夏颂祺, 丁伯民. 钢