精馏塔的设计详解

1、页脚页脚目录前言3塔设备任务书4塔设备已知条件5塔设备设计计算61、选择塔体和裙座的材料62、塔体和封头壁厚的计算6TOC o 1-5 h z3、设备质量载荷计算74、风载荷与风弯距计算95、地震载荷与地震弯距计算126、偏心载荷与偏心弯距计算137、最大弯距计算148、塔体危险截面强度和稳定性校核149、裙座强度和稳定性校核1610、塔设备压力试验时的应力校核1811、基础环设计1812、地脚螺栓设计19塔设备结构设计20参考文献21结束语21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

2、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110.8C,凝固点为一95C，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

3、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

4、管。本设计主要是对板式塔的设计。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MPa0.004腐蚀速率mm/a0.01设计压力MPa0.0044设计寿命a20工作温度C120浮阀个数设计温度C150浮阀间距z介质名称苯、甲苯保温材料厚度/mm100介质密度kg/m3799.054保温材料密度kg/m3300I基本风压Pa300存留介质高度mm52.5/49k-50-igiibii2i：ii：ii：i地震烈度9壳体材料Q235-Ad-Hhi*ii场地类别II件材料i塔形筛板塔裙座材料Q235-Aik：斗o1T塔板数目21偏心质量kg20007k2000/塔板间距mm500偏心距mm10001

5、Ii1i接管表ii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l一l(1k3O=Lt一11r20001一1111Lal,2450mm人孔g45mm突面回流口1K23Hhl1-11.I18ULIr11ibl,2一突面温度计h1-325mm突面取样口k10550IL、一aazc突面进气口i1,2突面液面计dl,238mm突面力口料口j38mm突面出料口el,2一突面压力计k1-3450mm突面人孔f127mm突面排气口条件容修改修改标记修改容签字日期塔径（原设计算错）备注甲苯-苯精馏塔设计单位名称化工系2班丽娟工程名称提出人丽娟日期08.7.25三.塔设备已知条件塔体径D/mmi1200场

6、土地类别II塔体高度H/mm10550偏心品质m/kge2000设计压力p/MPa0.0044偏心距e/mm1000设计温度t/c150塔保温层厚度8/mms100塔体材料Q-235A保温材料密度P/kg/m32300许用应力c/MPa113裙座材料Q-235Bct/MPa113许用应力ct/MPas113设计温度下弹性模量E/MPa2X10-5常温屈服点c/MPas235常温屈服点/MPas235设计温度下弹性模量E/MPas2X10-5厚度附加量C/mm2厚度附加量C/mms2塔体焊接头系数00.85人孔、平台数5介质密度P/kg/m31000地脚螺线材料Q-235A塔盘数N48许用应力c

7、/MPabt147每块塔盘存留介质层咼度h/mmw50腐蚀裕量C2/mm3基本分压值q/Pao300个数n4地震设防烈度9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p=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容器的最大工作压力用p表示，即p=p=0.004MPa；取设计压力p二1.1p二0.0044MPa。www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。本设计塔最高温度塔底取得t=120C

8、,设计温度可以取为t=150C。max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b二375MPa、b二235MPa,设计bs温度下的许用应力bt二113MPa。2、塔体和封头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6=6+A=6-C-C（式中6为理论计算厚度，mm；A为除去负偏差以后的圆整值,en12mm；6为名义厚度，mm；C为钢板厚度负偏差，mm；C为腐蚀裕量，mm。）n122.1.1理论计算厚度pD6=i，其中D指塔体的径，由工艺部分计算可知D=1.2m

9、；P为焊接头系2bt甲一pii数，本设计采用双面焊、局部无损探伤，P=0.85。pD0.0044x1200=0.03mmi=0.03mm2Q叩一p2x113x0.85-0.0044对于碳素钢和低合金钢制容器，63mm，而6Cminminmin1（钢板厚度按825mm计）。假设腐蚀裕量C=2mm。26=6+C=5mmnmin25=d+A=dCC=50.52=2.5mmen122.2封头壁厚的确定根据塔径D=1200mm，取用标准椭圆形封头，可选用EHA的标准椭圆形封头(/Ti4746-2002),公称直径DN=1200mm，曲面高度300mm，直边高度25mm，表面积1.665m2,容积0.25

10、5m3，厚度6mm，质量49kg。3、设备质量载荷计算塔设备的操作质量m/kg:m=m+m+m+m+m+m+mo00102030405ae塔设备的最大质量m/kg:m=m+m+m+m+m+m+mmaxmax01020304wae塔设备的最小质量m/kg:m=m+0.2m+m+m+m+mminmin01020304ae3.1塔体质量mo1单位长度筒体的质量：兀m=pxs=p(D+25)2D2=0.785x7.85x10-6x(1200+10)2120021m4ini=148.5kg/m由工艺部分计算可知塔高H=10.55m，取裙座高度h=1.55m；筒体质量：m=Hxm=10.55x148.5=

11、1566.7kg1m裙座质量：m=hxm=1.5x148.5=222.75kg31m由前面可知一个封头质量G=77kg，则有封头质量：m2=77X2=98kgnm=m+m+m=1566.7+222.75+98=1887.5kgo11233.2塔段件质量mo2查数据可知筛板塔质量q=65kg/m2；由工艺部分计算可知塔盘数为N=21块N兀nm=一ND2q=0.785x21x12x65=1542kgo24iN3.3保温层质量mo3保温材料密度为Pc二300kg/m3厚度为8=100mm2s筒体部分保温层的质量：兀-(D+28+28)2-(D+28)2Hp=0.785x1.412-1.42x10.5

12、5x300二69.8kg4insis2封头部分保温层的质量：直边部分曲面部分直边部分：0.785x1.412-1.42x0.025x300=0.166kg曲面部分近似计算为：表面积x厚度X密度=1.665X0.1X300=50kg=封头部分质量=2X(0.166+50)=100.23kg所以，m=69.8+100.23=170kgo33.4平台、扶梯质量mo4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：q=150kg/m2,q=40kg/m2。pF兀1m=(D+28+28+2B)2(D+28+28)2xnq+qHo44inin2pFF=0.785x3.2221

13、.422x0.5x4x150+40 x(9.45+1.55)=2632.4kg3.5操作时塔物料质量mo5由工艺部分计算可知精馏段塔盘数为9，h=0.0633m，h=0.0083m，woP=826.04kg/m3；L1提馏段塔盘数为12，h=0.06m，h=0.0086m，P=931.18kg/m3woL2兀nm=D2(hN+h)p+(hN+h)p+V(p+p)=0.785Xo54iw1oL1w2oL2fL1L21.22(0.0633x9+0.0083)826.04+(0.06x12+0.0086)931.18+0.255x(826.04+931.18)=1754.7kg.3.6附件质量按经验

14、取附件质量m=0.25m=0.25X1887.5=471.9kgao13.7充液质量w兀m=D2Hp+2Vp=0.785x12x10.55x1000+2x0.255xlOOO=12435.7kgw4iwfw3.8偏心质量me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2000kg,偏心距为1000mm。所以m=2000kg。e3.9操作质量、最小质量、最大质量m=m+m+m+m+m+m+m00102030405ae=1887.5+1542+170+2632.4+1754.7+471.9+2000=1

15、0458.5kgm=m+0.2m+m+m+m+mmin01020304ae=1887.5+0.2X1542+170+2632.4+471.9+2000=7470.2kgm=m+m+m+m+m+m+mmax01020304wae=1887.5+1542+170+2632.4+12435.7+471.9+2000=21139.5kg4、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。4.1各段

16、水平风力的计算各段的水平风力可以用下式计算P二KKqflDx10-6i12ioiiei式中各符号的含义：P塔设备各计算段的水平风力；K空气动力系数，对于圆筒形设i1备K=0.7；K风振系数，当H20m时，按下式计算12i2iK=1+Ve/f（8脉动增大系数；V第i段的脉动影响系数；0第i段振型系2iiziiizi数；f风压高度变化系数），本设计中H20m；q基本分压值，厂址建在的市区，基本io分压为300Pa；1第i段计算段长度；D塔设备各计算段有效直径，当笼式扶梯与塔iei顶管线布置成180度时（本设计中按180度处理），D=D+28+K+K+d+28。eioisi34opsK=1+8V0/

17、f，通过查表近似估算处各段的K值分别为1.06,1.06,1.21,1.8,1.82iizii2i对0-1段，P=KKqflDx10-6112ioiiei=0.7X1.06X300X0.54X0.55X（1210+200+400+127）X10-3=128.06N对1-2段P=KKqflDx10-612ioiiei=0.7X1.06X300X0.54X1X(1210+200+400+127)X10-3=232.84N对2-3段P=KKqflDx10-612ioiiei=0.7X1.21X300X0.54X1X(1210+200+400+300+127+2X100)X10-3=334.39N对3

18、-4段P=KKqflDx10-612ioiiei=0.7X1.8X300X0.71X4X(1210+200+400+300+127+2X100)X10-3=2616.17N对4-5段P二KKqflDx10-612ioiiei=0.7X1.8X300X0.94X4X(1210+200+400+300+127+2X100)X10-3=3463.66N4.2危险界面风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：mi-1=pL+p(l+L)+p(l

19、+1+S+2)+TOC o 1-5 h zWi2i+1i2i+2ii+12塔底部的风弯距00：M0-0=PL+P(l+l2)+P(l+1+L)+P(l+1+1+J)+P(l+1+1+1+-W1221231224123251234=127416N.m裙座上人孔或较大管线出孔处的界面11：MIT=Pl2+P(l+l3)+P(l+l+4)+P(l+l+l+5)W22322423252342=118753N.m塔体与裙座连接焊缝处的截面22M2一2=Pl3+P(l+l4)+P(/+l+l5)W324325342=93846N.m5、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

20、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。在般计算中只考虑水平地震力对设备的作用。5.1地震载荷5.1.1水平地震载力任意高度h处的集中品质m引起的基本振型水平地震力F/N按下式计算:kkk1Fk1式中：Cz-综合影响系数，取0.5；mk-距地面hk处的集中品质；a厂对应于塔设备自振周期他T的地震影响系数a值，a=(T/T)0.9a；q基本振型参与系数,TOC o 1-5 h z1gmaxk1q=h1.5(工ih3k1kiiiii-1i=1mH塔设备的自振周期T=90.33Ho(E=2.0X105MPa,H=10.55m)1E5D31e

21、i=90.33x24.910叫10出xio-=90.33x24.92.0 x105x2.5x1.23取地震烈度为9级可查得a=0.9；场地土为II近振，特征周期T=0.3maxg所以有a=(T/T)0-9a=(0.3/0.8)0.9X0.23=0.370.2a。gmaxmax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：F0-0=axmxg(a=0.65a=0.585vv,maxeqv,maxmaxm=0.75m=7843.9kg)，所以有：F0-0=axmxg=44969.1Neqovv,maxeqmh任意质量i处垂直地震力Fit按下式计算：Fit=

22、F0-0vvnv乙mhkkk=1塔段0112233445长度/m0.551144各点距地面咼度h/mmi55015502550655010550质量/kg545.2991.3991.33965.33965.3k1F0.00490.03940.20240.64621.3327k1/N299.861536.5152527.81525972.71541833.915F1-1/Nv186.8405309957.391041575.062716183.40526066.401表三：水平、垂直地震力(以上计算均由Excel自动生成)5.1.3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oo底基

23、本振型地震弯距分别按下式进行计算：8Camg16MI-I=Z1o(10H3.5-14H2.5h+4h3.5)M0-0=camgHei175H2.5ei35zio同计算风弯距一样，对危险截面进行地震弯距的计算，M0-0=M0-0=0.457x0.5x0.37x10458.5x9.81x10.55=91512.2N.mEE18CamgM1-1=M1-1=z1o(10H3.514H2.5h+4h3.5)EE1175H2.5175x10.552.5=8x0.5x0.37x10458.5x9.81(10 x10.553.5-14x10.552.5x0.55+4x0.553.5)=84806.8N175x

24、10.552.5.m8CamgM2-2=M2-2=o(10H3.5一14H2.5h+4h3.5)EE1175H2.5118x0.5x0.37x10458.5x9.81=(10 x10.553.5-14X10.552.5x1+4x13.5)=79402.8N175x10.552.56、偏心载荷和偏心弯距的计算由前面计算可知，m=2000kg,e=1000mmenM=mge=2000 x9.8x1=1.96x104N-mee7、最大弯距的计算塔设备任意计算截面I-I处的最大弯距M1-1按下式进行计算maxMi-i=MaxM1-1+M，Mi-i+0.25M1-1+MmaxWeEWe同前面计算，本设计

25、将对危险截面进行计算，如下表所示截面oo1122M1-1，N-mW12741611875393846mi-1，N-mE91512.284806.879402.8M，N-me1.96x104Mi-i+M，N-mWe147016138353113446Mi-i+0.25Mi-1+MEWe142966.2134095.05122464.3Mi-1，N-mmax142966.2134095.05122464.3表四：求最大弯距8、塔体危险截面强度和稳定性校核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。由于压和外压引起的轴向应力c:二pD/(48)11iei由于重力和垂直地震力引起

26、的轴向应力2：i-由于重力和垂直地震力引起的轴向应力2：i-ig土Fvi-i(其中FVI-1仅在ei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834Mi-i=max3兀D2iei圆筒稳定性校核圆筒许用轴向应力Q按下式确定：Q二MinKB,K0tcrcr圆筒最大组合拉应力按下二式进行校核：压塔器：5+5至Q；外压塔器：c+8+8Q23cr123cr具体轴向应力求法和校核如下表所示：计算容计算公式及数据00截面11截面22截面有效厚度5，mmei2.5筒体径D，mmi1200计算截面以上的操作质量m1-1，kgo10458.5985610103设计压力引起的轴向应力c，MPai

27、c二pD/(45)=0.0044XI200=0.5281iei4x2.5000.528操作质量引起的轴向应力52，MPa乂mi-ig5=o2兀D5iei10.891510.2640510.52128最大弯距引起的轴向应力5，MPa3只4M1-15=max3兀D25iei107.31101.2989.49载荷组合系数K1.2系数AA二0.0945/R二0.00078eii设计温度下材料的许用应力Qb查表可知(Q-235A,150度)的ct=113MPa113113113系数B,MPa117117117KB，MPa140.4140.4140.4KQt135.6135.6135.6取KB和KQt中的

28、较小者许用轴向应力Qcr135.6135.6135.6rai曰.I厶口人对压容器52+5Q（满足条件）23cr圆同最大组合应力5+52361.4810957.7145353.85613KQt0115.26115.26115.26rat曰.|，厶口人斗亠J-对压容器圆同最大组合拉应力1-Q2+Q/KQ?0满足条件Q-Q+Q12339.698137.1864333.34158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

29、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。9.1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TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark108 o Current Document M0-0mg+F0-0f、max+一vMinKB,Kbt（F0-0仅在最大弯距为地震弯距参与组 HYPERLINK l bookmark2 o Current Document ZAsvsbsb合时

30、计入此项；A裙座底部截面积，A二兀D&；Z裙座圆筒和锥壳的底部截面sbsbissb HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 兀e系数，Z=丁D。sb4iss由上计算可知：裙座有效厚度、裙座筒体径、0-0截面处最大弯距和操作质量分别为：二2.5mm,esD二1200mm,M-0=142966.2N.m,m0-o=10458.5N.mismaxo0-0截面积和截面系数分别为：A二兀D5s=3.14X1200X2.5=9420mm2,sbis兀eZ=D25=0.785X12002X2.5=2.826X106mm3sb4iss裙座许用应力：MinKB,KQt

31、=Min140.4,135.6=135.6MPasM0-M0-0mgn-max HYPERLINK l bookmark112 o Current Document ZAsbsb14296620010458.5x9.81+2.826x1069420二61.48MPaMinKB,KQtsn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Mh-hMh-hmh-hmax+oZsm-MinKB,Kqt和Assm0.3Mh-0.3Mh-h+MmWe+Zsmh-hgMinKB0.9qAssmmax本设计中检查孔加强管长度、加强管水平方向的最大宽度、加强管厚度和裙座径分别为：l=100mm,

32、b=300mm,5=3mm,D=1200mmmmmimnA=2l5=2x100 x3=600mm,mmmA=nD5工(b+25)5A=3.14x1200 x2.52(300+6)x2.5600smimesmmesm=90909420mm2Z=25/(D/2)2(b/2)2=2x2.5x100(1200/2)2(300/2)2=2.90474x105mm3mesm：immZ=0.785D252工(bD5/2Z)smimesmimesm=0.785X12002X2.522X(300X1200X2.5/22.90474x105)=6.746x106mm3MinKB.0.9q=Min140.4,211

33、.5=140.4MPas1-1截面处最大弯距、风弯距、以上操作质量和最大质量分别为MiT=134095.05N.m,Mit=118753N.m,mit=9856kg,mit=10103kgmaxWomaxM1-M1-1m1-1gn-maxZAsmsm134.0959856x9.81+6.7469090=30.51MinKB,KQts HYPERLINK l bookmark110 o Current Document 0.3M1- HYPERLINK l bookmark110 o Current Document 0.3M1-1+Mm1-1gWe+maxZAsmsm0.3x1187.5310103x9.81+6.7469090=63.71MinKB0.9as140.410、塔设备压力试验时的应力校核10.1圆筒应力(p+10、塔设备压力试验时的应力校核10.1圆筒应力(p+yH/g)(D+8)试验压力引起的周向应力：a=ti丄，本设计采用水压试验,T28ei以y=0.001kg/cm3t=125p=0.0055MPa(0.0055+0.001x2490/9.81)(1200+2.5)na=62.25MPaT2x2.5pD0.0055x1200试验压力引起的轴向应力a:a=ti=0.66MPaT1T1484x2.5ei2-