精馏塔的设计详解

4545精憎塔的设计详解-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAIE.

目录目录一•前言塔设备任务书三.塔设备已知条件四.塔设备设计计算TOC\o"1-5"\h\z2、选择塔体和裙座的材料 62、 塔体和封头壁厚的计算 6\o"CurrentDocument"3、 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 14\o"CurrentDocument"8、 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 16\o"CurrentDocument"10、塔设备压力试验时的应力校核 18\o"CurrentDocument"11、 基础环设计 1812、 地脚螺栓设计 19五.塔设备结构设计 20\o"CurrentDocument"六参考文献 21\o"CurrentDocument"七.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O甲苯是有机化合物，属芳香桂，分子式为C6H5CH3o在常温下呈液体状，无色、易燃。它的沸点为110.8°C,凝固点为一95°C,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，生成苯一氯甲烷或苯三氯屮烷，它们都是工业上很好的溶剂；它还容易硝化，生成对硝基屮苯或邻硝基中苯，它们都是染料的原料；它还容易磺化，生成邻屮苯磺酸或对中苯磺酸，它们是做染料或制糖精的原料。屮苯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。中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。苯和中苯都是重要的基本有机化工原料。工业上常用精镭方法将他们分离。精憎是分离液体混合物最早实现丄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U的。实现精憎操作的主要设备是精镭塔。精镭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乂充分的接触。塔板的结构主要曲气体通道、溢流堰和降液管。本设计主要是对板式塔的设计。塔设备任务书简图与说明I比例I设il参数与要求b22000J^<301550工作斥力MPa腐蚀速率mm/a设讣圧力MPa设计寿命a20工作温度2C120浮阀个数设计温度°C150浮阀间距介质名称甲瓠苯保温材料厚度/mm100介质密度kg/m3保溫材料密度kg/m3300基木风压Pa300存留介质髙度mm49地震烈度9壳体材料Q235-A场地类别11内件材料塔形筛板塔裙座材料Q235-A塔板数目21偏心质:ftkg2000塔板间距mm500偏心距mm1000接管表符号公称尺寸釁式用途符号公称尺寸蠶式用途31,2450mm人孔g45mm突面回流口bl,2突面温度计hl-325mm突面取样口C突面进气口Hz2突面液面计dl,238mm突面加料口j38mm突面出料口elf2突面压力计kl-3450mm突面人孔f127mm突面排气口条件内容修改修改标记修改内容日期塔径（原设计算错）备注甲苯•苯精懈塔设计爪位名称化工系2班刘丽娟工程名称提出人刘丽娟日期0&7.25三•塔设备已知条件塔体内径Di/nun1200场土地类别II塔体高度H/nmi10550偏心品质叫/kg2000设计压力plMPa偏心距e/mm1000设计温度/C150塔保温层厚度3Jmm100塔体材料Q・235A保温材料密度p2/kg/nf300许用应力[cr]/MPa113裙座材料Q-235B!MPa113许用应力!MPa113设计温度下弹性模量E/MPa2X105常温屈服点aJMPa235常温屈服点aJMPa235设计温度下弹性模量EJMPa2X10'5厚度附加量C/mni2厚度附加量CJmm2塔体焊接头系数。人孔、平台数5介质密度p/kg/nr'1000地脚螺线材料Q-235A塔盘数N48许用应力[a]htIMPa147每块塔盘存留介质层高度nun50腐蚀裕量C21mm3基本分压值qo/Pa300个数“4地震设防烈度9表二：已知条件列表塔设备设计计算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①=①=»+△=%—G—C2=5 2=2.5mm现的最高工作压力称为容器的最大工作压力用几表示，即pw=p~;取设计压力P=1」几=。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£=120比，设计温度可以取为/=150吒。从上可知，设计压力和设讣温度都属于低压、低温状态，塔体和裙座的材料可用：Q235-A,GB912,热轧，厚度为3~4mm,常温下强度指标",=375MPa、6=235MPa，设计温度下的许用应力[b]『=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Jc=J+A=Jn-C,-C2（式中5为理论计算厚度，mm：△为除去负偏差以后的圆整值，mm；%为名义厚度，mm； 为钢板片度负偏差，mm；C?为腐蚀裕量，mm。）2丄1理论计算厚度―巴—,其中0指塔体的内径，由工艺部分计算可知02[b]（p_p为焊接头系数，本设计采用双面焊、局部无损探伤，0-uP0 0.0044x1200 …5= !——= =0.03mm2[cr]>-/?2x113x0.85-0.0044对于碳素钢和低合金钢制容器，久御n3〃”"，而且戈伽一§=2.97mm>C〔（钢板厚度按8~25mm计）。假设腐蚀裕量C2=2mmo①产久油+°2=5mm封头壁厚的确定根据塔径£>/=1200mm,取用标准椭圆形封头，可选用EHA的标准椭圆形封头(JB/T4746-2002),公称直径DN=1200mm,曲面高度300mm,直边高度25mm,内表面积1.665m2,容积0.255m3,厚度6mm,质量49kg。3、设备质量载荷计算塔设备的操作质量/kg:mQ=叫+m02+mm+mw+mQ5+ma+me塔设备的最大质量mmaJkg:mmM=m01+w02+m03+mM+mw+ma+me塔设备的最小质量加min/*g:,Mmin=,W0)+。・2加g+")3+加04+,Ua+lfte塔体质量叫l单位长度筒体的质量：m.=pxs=-p[(Di+23/l)2-D；]=0.785x7.85xl0'6x[(1200+10)2-12OO2]4=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：mx=HxmXm=10.55x148.5=1566.7kg裙座质量：/«3=hxmh„=1.5x148.5=222.75kg由前面可知一个封头质量G=77kg,则有封头质量：加2=77X2=98kg=>moX= +m2+ =1566.7+222.75+98=1887.5kg塔段内件质量叫2查数据可知筛板塔质量qN=65kg用；由工艺部分计算可知塔盘数为N=21块=>mo2=彳ND；q”=0.785x21xl.2:x65=1542kg保温层质量心3保温材料密度为p2=300kg/m3,疗度为6=100mm筒体部分保温层的质量：彳[(0+28n+2J)2-(D.+2J)2]Hp2=0.785x[1.412-1.42]x10.55x300=69.8^封头部分保温层的质量：直边部分+曲面部分直边部分：0.785x[1.412-1.42]x0.025x300=0」66kg曲面部分近似计算为：内表面积X厚度X密度=>XX300=50kg=>封头部分质量=2X(+50)“00.23kg所以，mo3=+=170kg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：qp=150^/w2, =40kg/m2。叫吟(。+2氏+25+23)2-(0+2戈+2》)2]x孰,+qFHF=0.785x[3.222一1.422]x0.5x4x!50+40x(9.45+1.55)=2632.4kg操作时塔内物料质量叫由工艺部分计算可知精僻段塔盘数为9,hw=0.0633加，你=0.0083/n,plA=826.04kg/亦；提镭段塔盘数为12,h'w=0.06/n,/?；,=0.0086w,pL1=931.18^//h3=mos= -[(hwN,+ho)pL{+(h\N2+h'o)pL2]+Vf(pLl+p£2)=x1.22[(0.0633x9+0.0083)826.04+(0.06xl2+0.0086)931.18]+0.255x(826.04+931.18)=1754.7kg.附件质量叫按经验取附件质量叫=/noI=X=471.9kg充液质量叫mw=彳D：Hpw+2匕pw=0.785xl.22xl0.55xl000+2x0.255xl000=12435.7kg偏心质量叫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。本设讣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1000mmo所以加严2000kg。操作质量、最小质量、最大质量“）=“）］+加（）2+加（）3+〃如+加05+ma+叫=+1542+170++++2000=10458.5kg加min="如+°・2加02+加03+加04+加“+阻=+X1542+170+++2000=7470.2kg'"max=加01+加02+加03+〃如+ +“為+=+1542+170++++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儿段，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算A=匕心皿几6x10"式中各符号的含义：R—塔设备各计算段的水平风力；&一空气动力系数，对于圆筒形设备K产；心一风振系数，当H<20m时，取©产，当H>20m时，按下式计算心产1+少肉//,（£一脉动增大系数：片一第i段的脉动影响系数；必一第i段振型系数；风压高度变化系数），本设计中H>20m；基本分压值，厂址建在厦门的市区，基本分压为300Pa；I-第i段计算段长度；几一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），Dei=Doi+2厲+心+©+〃。+2%.oK沪1+少肉/乞,通过查表近似估算处各段的心•值分别为，，，，对0・1段,P严K\K皿,MDeiXW6=XX300XXX(1210+200+400+127)X103对1-2段P/KgJgxE=XX300XXIX（1210+200+400+127）X103对2-3段P严KgJ—xE=XX300XXIX（1210+200+400+300+127+2X100）X10'3对3-4段P严KgJgxE=XX300XX4X（1210+200+400+300+127+2X100）X103对4-5段/^KgJSxlO"=XX300XX4X（1210+200+400+300+127+2X100）XIO'3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0—0、裙座上人孔或较大管线出孔处的接口1-1.塔体与裙座连接焊缝处的截面2—2,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：m广=吗也a+毎）+〈2（厶+心+毎）+••••••••••塔底部的风弯距0—0：=召扌+马（人+亏"）+出（厶+心+才）+片（厶+厶+?3+才）+4（厶+/,+/3+/4+y）裙座上人孔或较大管线岀孔处的界面1-1:Mw-=碍+观+》+出（厶+厶+卯+A（/2+厶+仃+》）

塔体与裙座连接焊缝处的截面2-2Mw22=人三+人仏+三）+P5Q3+4+却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。地震载荷5.1.1水平地震载力任意高度久处的集中品质心引起的基本振型水平地震力/N按下式计算:式中：口一综合影响系数，取；耳一距地面九处的集中品质；4—对应于塔设备自振周期他Ti的地震影响系数&值，a=（兔疗）％阴；加一基本振型参与系数，J-1 J-1塔设备的自振周期7；=90.33/7塔设备的自振周期7；=90.33/7(£=X105MPa,H=10.55m)=90.33x24.9x10"3=0.80=90.33x24.9x10"3=0.80V2.0xl05x2.5xl.23取地震烈度为9级可查得amax=:场地土为II近振，特征周期儿=所以有a=(TJT)09amax=X=>amdxO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：Fv<)_°=maxxmcqxg(^,max=«max=*叫g=mo=7843.9kg,所以有：Fv(M，=<zvmaxxmeqxg=任意质量i处垂直地震力代I按下式计算：严塔段0T1~22〜3站44~5t度/m1144各点距地面高度/^/mm55015502550655010550质量/kgJlk\F*'/Nf：7/n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1-1和底截面0—0底基本振型地震弯距分别按下式进行讣算：—Cza—CzaxmogH同计算风弯距一样，对危险截面进行地震弯距的计算,M£°-°=M£Iom)=0.457x0.5x0.37x10458.5x9.81x10.55=(10x10.55(10x10.5535-14x10.552'x0.55+4x0.5535)175x10.552%M/-2=M£12-2=^^(10H35-14H25//1+4聲)1/Jn

8x0.5x0.37x10458.5x9.81175xl0.5525(10x10.5535-14x10.5525x1+4xl35)8x0.5x0.37x10458.5x9.81175xl0.5525心弯距的计算由前面计算可知，叫=2000焙,e=\000/77/77=> =mege=2000x9.8x1=1.96x10“N•加最大弯距的计算塔设备任意计算截面1-1处的最大弯距MnJ~l按下式进行计算=Max{MJ-+ M/_/£+0.25Mv/_/+MJ同前面讣算，本设计将对危险截面进行计算，如下表所示截面o-o1-12-2N•m12741611875393846M广,Nm%,N•mxlO4N-m147016138353113446M,_/£+0.25Mu/_/+McmJ"，n”表四：求最大弯距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1-1处的轴向应力分别按下式进行计算。山于内压和外压引起的轴向应力6：s=pDJ(4»)由于重力和垂直地震力引起的轴向应力召咲哙产（其中八―仅在最大弯距为地震弯距参与组合时汁入此项）。最大弯距引起的轴向应圆筒稳定性校核圆筒许用轴向应力9L,按下式确定：[＜7]er=M加｛KB,KQ门圆筒最大组合拉应力按下二式进行校核：内压塔器：馮+①＜[b]“；外压塔器：①+①+①＜[b]“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o-o截面1-1截面2-2截面有效片度耳，mm筒体内径0,mm1200计算截面以上的操作质量mJ'1,kg985610103设讣压力引起的轴向应力6，MPa1 4x2.500操作质量引起的轴向应力①，MPai_i最大弯距引起的轴向应力①，5i~g

MPa载荷组合系数K系数AA=0.094巧"尺=0.00078设计温度下材料的许用应力QY查表可知（Q-235A,150度）的［<T］f=113MPa113113113系数B,MPa117117117KB,MPaK［刃许用轴向应力[也取KB和K[b]‘中的较小者圆筒最大组合应力①+久对内压容器j2+^<[o-]fr（满足条件）K［刃0圆筒最大组合拉应力—b?+对内压容器K[b]p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。山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，以防止山于风载荷或地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。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■XQ-0 卩 0"^)丄」+ — <Min{KB.K\(y\；} ( 仅在最大弯距为地震弯距参Zq 九与组合时计入此项；九一裙座底部截面积，A厂旳角；Z妙一裙座圆筒和锥壳的底部截面系数，za7,=Jd.2jo)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：=2.5mm,£>”=1200〃””，昭貯~°=，加广°=截而积和截而系数分别为：Ash=7tDis6s=x1200x=9420mm2,Zsh=Jv=xl2002x=xl065裙座许用应力：Min{KB,K[b],}=Min{,}=MPd叽严叫g14296620010458.5x9.81 “ ―f“=>皿+4= + =61.48MPa<Min{KB,Kb、•}Z“ A必2.826x1()6 9420=>满足条件，材料安全裙座检査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h-h截面处组合应力按下式进行校核h-hmaxh-hmaxh-h+ —<Min{KB,K[a]；}和0・3M广+陆*如岂《呛g0%}Z 4m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：lm=100/?//?/,bm=300nun, =3mm,D讪=1200〃〃〃=>Am=2ltn3m=2x100x3=600〃〃〃，九=7d)imSes-工[(饥+28m)8es-AJ=3.14x1200x2.5-2((300+6)x2.5-600]=mnr

Z/N=25Jm\/(0加/2)2_(饥/2)2=2x2.5xl00j(l200/2尸—(300/2)2=2.90474x105mm3Z“”=O.785/V宥-口仇几4/2-Z”J=X12002X-2X(300X1200X2-2.90474x105)=6.746x106WMin{KB••…0.9<rJ=Min{/}=MPa1-1截面处最大弯距、风弯距、以上操作质量和最大质量分别为MmJ」，=,zw/1=9856kg,mJ-1=10103kg=30・51vM/{K5K{a\；}=宵g134.095|=30・51vM/{K5K{a\；}£ 6.746 9090。•必^陆+心/计丫亠+^翌严“十涮怦…0.9.J=140.4z.伽 4加。•必^陆+心/计丫亠+^翌严“十涮怦…0.9.J=140.4z.伽 4加maxsm6.7469090io.塔设备压力试验时的应力校核圆筒应力试验压力引起的周向应力：升」上匚巴E巴上丄,本设计采用水压试验，所以/=0.001kg/cm3,pT=p=MPa(0.0055+0.001x2490/9.81)(1200+2.5)“ “门=> = =62・25MPa丁 2x2.5试验压力引起的轴向应力6】：勿=-=(MX)55X12(X)=0.66MP«4名4x2.52・2截面处的最大质量和风弯距分别为：川广，=10103kg, =93846"•加6重力引起的轴向应力be：10103x9.81重力引起的轴向应力be：10103x9.81_4x1200x2.5=&26MPg弯距引起的轴向应力:4(0・3M产+MJ

兀4(0・3M产+MJ

兀D：®0.3x938,46+196000.785x1200x1.2x2.5=lAMPa应力校核刃=16.02MP"v[b]“=M加{KB,0・9Kb、}=M^{1404253・8}=140.4MM

液压试验时：b八-crT2+%=0.66-8.26+7」v0.9Kb®b丁2+63=8.26+7.1=15.36v[b]“从上计算可知，材料安全。11.基础环设计裙座外径：Dox=%+2瓦=1206mm基础环外径：D(tb=Dis+300=1500/wh基础环内径:Dib=Dls-300=900mm基础环伸出宽度：b=H)2=147〃沖相邻俩筋板最大外侧间距：/=160/77/77基础环面积：Ah=0.785(D^2-D/)=1.13x106w/w2基础环截面系数："竺孟0-0水压试验时压应力:max142966.2 10458.5x9.812.28xl050-0水压试验时压应力:max142966.2 10458.5x9.812.28xl05+ 1.13X106=0.72MPG操作时压应力:=0.44MPa0.3x127416+1960021139.5x9.81=0.44MPa2.28x10' + 1.13xl06混凝土基础上的最大压力：b畑=M“x{%0j=O・72MPd111/9//=0.919,6皿少=1555&5,o；,nJ2=18432可以查得对X轴和Y轴的弯距分别为Mx=0・137©皿上2=2131・57V・m,My=0.089lo；,nm/?2=1386.3A^-m计算力矩:Mx=Max{Mx,MY]=2\3\.