填料塔毕业设计2

PAGEPAGE34目录TOC\o"1-2"\h\u摘要 ⅢAbstract Ⅳ第1章前言 1第2章流程确定和说明 22.1加料方式 22.2进料状况 22.3塔顶冷凝方式 22.4回流方式 22.5加热方式 22.6加热器 3第3章精馏塔设计计算 43.1操作条件与基础数据 43.2精馏塔工艺计算 63.3精馏塔主要工艺设计 113.4填料的选择 153.5塔径设计计算 163.6填料层高度计算 17第4章塔附件的选型与设计 194.1冷凝器 194.2加热器 194.3塔内管径的计算及选择 194.4液体分布器 204.5填料支承板的选择 214.6塔釜设计 214.7裙座设计 224.8吊柱 224.9人孔 224.10法兰 224.11除沫器 23第5章塔总体高度设计 255.1塔顶部空间高度 255.2进料部位空间高度 255.3塔立体高度 25第6章塔设备的机械设计 266.1设计条件 266.2按压力计算筒体和封头厚度 266.3塔的质量计算 276.4塔的自振周期计算 286.5地震载荷计算 296.6风载荷计算 306.7各种载荷引起的轴向应力 326.8筒体和裙座危险截面的强度与稳定性校核 346.9筒体和裙座水压试验应力校核 356.10基础环设计 376.11地脚螺栓计算 386.12开孔补强 40参考文献 42致谢 43附录1 44附录2 47甲醇回收填料精馏塔设计摘要精馏是借助回流技术来实现高纯度和高回收率的分离操作，在抗生素药物生产中，需要用甲醇溶媒洗涤晶体，洗涤过滤后产生废甲醇溶媒，然后对甲醇溶媒进行精馏，从而将甲醇进行回收利用。精馏操作一般在塔设备中进行，塔设备分为两种，板式塔和填料塔。填料塔结构简单、装置灵活、压降小、持液量少、生产能力大、分离效率高、耐腐蚀，且易于处理易起泡、易热敏、易结垢物系。近年来由于填料塔结构的改进，新型的高负荷填料的开发，既提高了塔的通过能力和分离效能又保持了压降小及性能稳定的特点。因此，填料塔已被推广到大型气液操作中，在某些场合还代替了传统的板式塔。从设备设计的角度看，不论板式塔还是填料塔，基本上由塔体、内件、裙座、和附件构成。随着对填料塔的研究和开发，性能优良的填料塔必将大量用于工业生产中。关键字：精馏，填料塔，设备设计MethanolrecoverydistillationcolumnpackingdesignAbstractDistillationisdrawingonthetechnologyofreturntoachievehighpurityandhighrecoveryrateoftheseparationoperation,Intheproductionofantibioticdrugs,theneedforwashingwithmethanolsolventcrystals,afterwashingfilterwastesolventsmethanol,andthencarriedoutonthemethanoldistillationsolvent,thustheuseofmethanolforrecycling.DistillationOperationnormallycarriedoutinthetowerequipment,equipmentisdividedintotwotowers,platetowersandpackedtower.Packedtowerstructureissimple,theinstallationofflexible,smallpressuredrop,liquidholdupvolume,largecapacity,highseparationefficiency,corrosionresistance,easyilydealwithfoaming，thermalandscaling.Inrecentyearsduetoimprovementsinthestructureofpackedtower,anewtypeofhighloadfilldevelopment,bothtoimprovethetowerandtheseparationperformancethroughtheabilitytomaintainthepressuredropandsmallandstableperformancecharacteristics.Therefore,thepackedcolumnhasbeenextendedtolarge-scalegas-liquidoperation,insomeoccasionsalsotoreplacethetraditionalplatetower.Equipmentdesignfromthepointofview,regardlessoftraycolumnorpackedcolumn,basicallyfromthetower,withinthepieces,skirt,andaccessoriespose.Withthepackedtowerofresearchanddevelopment,performanceisboundtoalargenumberofthepackedcolumnusedforindustrialproduction.Keyword:Distillation，Packedtower，Equipmentde在炼油、石油化工、精细化工、食品、医药及环保等部门，塔设备属于使用量大，应用面广的重要单元设备。塔设备广泛应用于蒸馏、吸收、萃取、洗涤、传热等单元操作中。所以塔设备的研究一直是国外学者普遍关注的重要课题。因此，本文的研究具有重要的理论和实际意义。塔设备按其结构形式基本上可以分为两类：板式塔和填料塔。以前，在工业生产中，当处理量大时多用板式塔，处理量小时采用填料塔。近年来由于填料塔结构的改进，新型的高负荷填料的开发，既提高了塔的通过能力和分离效能又保持了压降小及性能稳定的特点。因此，填料塔已被推广到大型气液操作中。在某些场合还代替了传统的板式塔。如今，直径几米至几十米的大型填料塔在工业上已非罕见。随着对填料塔的研究和开发，性能优良的填料塔必将大量用于工业生产中。填料塔为逐级接触式气液传质设备，它具有结构简单、安装方便、压降很低、操作弹性大、持液量小等优点。同时也有投资费用较高、填料易堵塞等缺点。塔型的选择因素很多，主要因素有物料性质、操作条件、塔设备的制造安装和维修等。1.与物料有关的因素(1)易起泡的物系在板式塔中有较严重的雾沫夹带现象引起的液泛，故选用填料塔为宜。因为填料不宜形成泡沫。本设计为分离甲醇—水，故选用填料塔。(2)对于易腐蚀介质，可选用陶瓷或其他耐腐蚀性材料作填料，对于不腐蚀的介质，则可选用金属性质或塑料填料，而本设计为分离甲醇—水，腐蚀性小可选用金属填料。2.与操作条件有关的因素(1)传质速率受气膜控制的系统，选用填料塔为宜。因填料塔层中液相为膜状流、气相湍动，有利于减小气膜阻力。(2)难分离物系与产品纯度要求较高，塔板数很多时，可采用高效填料。(3)若塔的高度有限制，在某些情况下，选用填料塔可降低塔高，为了节约能耗，故本设计选用填料塔。(4)要求塔内存液量小，停留时间短、压降小的物系，宜用规整填料。本设计题目是分离甲醇—水混合液，处理量不太大，为了节约能耗和降低塔高，所以选用填料塔。第2章流程确定2.1加料方式加料方式有两种：高位槽加料和泵直接加料。采用高位槽加料，通过控制液位高度，可以得到稳定的流量和流速。通过重力加料，可以节省一笔动力费用。但由于多了高位槽，建设费用相应增加；采用泵加料，受泵的影响，流量不太稳定，流速也忽大忽小，从而影响了传质效率，但结构简单、安装方便；如采用自动控制泵来控制泵的流量和流速，其控制原理较复杂，且设备操作费用高。本次设计采用高位槽进料。2.2进料状况进料状况一般有冷液进料、泡点进料。对于冷液进料，当组成一定时，流量一定，对分离有利，省加热费用。但冷液进料受环境影响较大，对于太原地区来说，存在较大温差，且增加塔底蒸汽上升量，增大建设费用。采用泡点进料，不仅对稳定塔操作较为方便，且不受季节温度影响。综合考虑，设计上采用泡点进料，泡点进料时，基于恒摩尔流假定，精馏段和提馏段上升蒸汽的摩尔流量相等，故精馏段和提馏段塔径基本相等，制造上较为方便。2.3塔顶冷凝方式塔顶冷凝器采用全凝器，用水冷凝。甲醇和水不反应，且容易冷凝，故用全凝器。塔顶出来的气体温度不高，冷凝后回流液和产品温度不高无需进一步冷却，此次分离也是想得到液体甲醇，选用全凝器符合要求。2.4回流方式回流方式可分为重力回流和强制回流。对于小型塔回流冷凝器一般放在塔顶。其优点是回流冷凝器无需支撑结构，其缺点是回流冷凝器回流控制较难。如果需要较高的塔处理量或塔板数较多时，回流冷凝器不适合于塔顶安装。且塔顶冷凝器不易安装、检修和清理。在这种情况下，可采用强制回流，塔顶蒸汽可采用冷凝冷却器以冷凝回流流入塔中。由于本次设计处理量较大，故采用强制回流。2.5加热方式加热方式分为直接蒸汽加热和间接蒸汽加热。直接蒸汽加热是用蒸汽直接由塔底进入塔内。由于重组分是水，故省略加热装置。但在一定的回流比条件下塔底蒸汽对回流液有稀释作用，使理论板数增加，费用增加。间接蒸汽加热是通过加热器使釜液部分汽化。上升蒸汽与回流下来的冷凝液进行传质，其优点是使釜液部分汽化，维持原来的浓度，以减少理论板数，缺点是增加加热装置。本次设计采用间接蒸汽加热。2.6加热器采用釜式（罐式）再沸器，用水蒸气作加热剂。将釜液部分汽化，维持了塔内原有浓度，减少了理论板数。第3章精馏塔设计计算3.1操作条件与基础数据3.1.1操作压力精馏操作按操作压力可以分为常压、加压和减压操作。精馏操作中压力影响非常大。当压力增大时，混合液的相对挥发度将减小，对分离不离；当压力减小时，相对挥发度将增大，对分离有利。但当压力不太低时，对设备的要求较高，设备费用增加。因此在设计时一般采用常压蒸馏。当常压下无法完成操作时，则采用加压或减压蒸馏。对于甲醇—水系统在常压下挥发度相差较大，较易分离，故本设计采用常压精馏。3.1.2气液平衡关系及平衡数据表3.1甲醇—水平衡时的t、x、y数据[1]平衡温度t10092.990.388.981.678.073.870.068.066.964.7液相甲醇x05.317.679.2620.828.146.268.485.687.4100汽相甲醇y028.340.043.562.767.777.584.989.691.9100根据以上数据绘出x—y平衡图%%图3.1甲醇—水平衡相图3.1.3物料平衡计算1.物料衡算已知（质量百分数）(3-1)摩尔分率：(3-2)(3-3)(3-4)进料平均相对分子质量：(3-5)2.气液平衡根据气液平衡表3.1（即x—y—t表），利用内插法球塔顶温度tLD，tVD，塔釜温度tW，进料液温度tF。（1）塔顶温度tLD,tVD(3-6)(3-7)（2）塔釜温度tW(3-8)（3）进料液温度tF(3-9)3.回流比确定由图3.1可知进料平衡曲线为不正常平衡曲线，为减小误差，用作图法求最小回流比Rmin，由点a(xD,xD)向平衡线作切线，交于点b(0,37.85)即精馏段操作线截矩，所以，所以Rmin=1.5。操作回流比可取最小回流比的1.1～2.0倍，所以取R=1.5Rmin=1.5×1.5=2.25所以回流比确定为R=2.25%%图3.2理论塔板数的图解3.2精馏塔工艺计算3.2.1物料衡算物料衡算（1）已知：F"=50000t，年开工300天，进料摩尔流量：(3-10)(3-11)总物料：F=D+W(3-12)易挥发组分：解得：，（2）塔顶产品的相对分子质量(3-13)塔顶产品流量：(3-14)（3）塔釜产品相对分子质量(3-15)塔釜产品流量：(3-16)(3-17)2.物料衡算结果表表3.2物料衡算结果表物料组成kg/hkmol/h质量分数摩尔分数进料F塔顶D塔釜W6944.4113181.5193762.892309.88101.737208.14345%97%1%31.50%94.80%0.56%3.2.2热量衡算1.加热介质和冷却剂的选择（1）加热介质的选择常用加热介质有饱和水蒸气和烟道气。饱和水蒸气是一种应用最广的加热剂。由于饱和水蒸气冷凝时的传热膜系数很高，可以通过改变蒸汽的压力准确的控制加热温度。燃料燃烧所排放的烟道气温度可达100～1000°C，适用于高温加热。缺点是烟道气的比热容及传热膜系数很低，加热温度控制困难。本设计选用300kPa（温度为133.3°C）的饱和水蒸气做加热介质，水蒸气易获得、清洁、不易腐蚀加热管，不但成本会相应降低，塔结构也不复杂。（2）冷却剂的选择常用的冷却剂是水和空气，因地制宜加以应用。受当地气温限制，冷却水一般为10～28°C。如需冷却到较低温度，则需采用低温介质，如冷冻盐水、氟利昂等。本设计建厂地区为太原，太原市夏季最热月平均气温为28°C，故选用28°C的冷却水，选升温10°C，即冷却水出口温度为38°C。2.冷凝器的热负荷冷凝器的热负荷：(3-18)式中IVD—塔顶上升蒸汽的焓,kcal·kmol-1；ILD—塔顶流出液的焓,kcal·kmol-1。（3-19)式中ΔHV甲—甲醇的蒸发潜热，kcal·kmol-1；ΔHV水—水的蒸发潜热,kcal·kmol-1。蒸发潜热与温度的关系[1]：(3-20)式中Tr—对比温度。表3.3沸点下蒸发潜热列表[1]沸点/°C蒸发潜热甲醇64.658430512.6水1009729647.3由沃森计算塔顶温度下的潜热：(3-21)66.03°C时，对甲醇：(3-22)(3-23)蒸发潜热：对水，同理得：蒸发潜热：对于全凝器做热量衡算（忽略热量损失）：选择泡点回流，因为塔顶甲醇含量很高，与露点相近所以：代入数据得：3.冷却介质消耗量：(3-24)4.加热器的热负荷及全塔热量衡算选用300kPa(133.3°c)饱和水蒸汽为加热介质，列表计算甲醇、水在不同温度下混合的比热容。表3.4甲醇、水在不同温度下混合的比热容[1]单位：kcal/(kg·°c)甲醇水甲醇：(3-25)(3-26)水：(3-27)(3-28)(3-29)(3-30)根据表3.2有：D=2736.3kg/hW=3236.034kg/h(3-31)(3-32)对全塔进行热量衡算：(3-33)为了简化计算，以进料焓，即77.16°C时的焓值为基准做热量衡算：=23592.379+71341.606+2418001.0970=2465750.2kcal/h=2.47x106kcal/h塔釜热损失为10%,则η=0.9则：(3-34)式中加热器理想热负荷,kcal/h；加热器实际热负荷,kcal/h；塔顶流出液带出的热量,kcal/h；塔底带出热量,kcal/h。加热蒸汽消耗量：(333K,300kPa)[1](3-35)表3.5热量衡算结果数据表符号QCkcal/hWCkg/hQFkcal/hQDkcal/hQWkcal/hQSkcal/h´Whkg/h数值2.42×1062.42×1050-23592.37971341.6062.74×1065307.873.2.3理论板数计算由于本次设计时的相对挥发度是变化的所以不能用简捷法求得，应用图解法求得。精馏段操作线方程为：(3-36)连接图3.2点,与q先交于d点，连接与d点，得提馏段操作线。然后由平衡线与操作线可得精馏塔理论塔板数为11块，第8层跨过d点，即第8层为加料板，故精馏段板数为7块，提馏段3块。3.3精馏塔主要工艺设计精馏塔设计的主要物性数据[1]表3.6不同温度下甲醇和水的密度物质密度kg/m3温度/°C5060708090100甲醇750741731721713704水988983978972965958表3.7甲醇--水特殊点粘度[1]物质粘度mPa·s塔顶65.61°C塔底99.25°C进料77.16°C甲醇0.3310.2240.286水0.4540.2550.383.3.1塔顶条件下的流量及物性参数,,气相平均相对分子质量：(3-37)液相平均相对分子质量：汽相密度：(3-38)液相密度：查表7，用内插法(3-39)所以：液相粘度：查表3.7得,,(3-40)塔顶出料口质量流量：表3.8塔中顶部数据结果表符号数值31.27231.2721.126740.9420.3373181.519101.7373.3.2塔底条件下的流量物性参数,1.液相相对分子质量：由于很小，所以液相可视为纯水2.气相密度：tW=99.25°C时（3-41）3.液相密度：视同纯水，查表3.6得：4.液相粘度：查表3.7得：,,5.塔底流量：（3-42）表3.9塔底数据结果表符号数值18180.5899580.2553746.574208.1433.3.3进料条件下的流量及物性参数F=266.5kmol/h,xF=31.5%,αF=45%查表3.1得：解得：y=68.67%=0.68671.气体平均相对分子质量（3-43）2.液相平均相对分子质量（3-44）3.气相密度（3-45）4.液相密度由表3.6数据，同上用内插法，求出ρ甲=723.84kg/m3,ρ水=973.704kg/m3（3-46）5.液相粘度查表3.7得：t=77.16°C,µ甲=0.286mPa·s,µ水=0.380mPa·s（3-47）6.进料流量表3.10进料数据结果表符号数值27.6122.41833.3330.9610.356944.444309.883.3.4精馏段的流量及物性参数1.汽相平均相对分子质量（3-48）2.液相平均相对分子质量（3-49）3.气相密度（3-50）4.液相密度（3-51）5.液相粘度（3-52）6.汽相流量（3-53）7.液相流量（3-54）3.3.5提馏段流量及物性参数1.气相平均相对分子质量(3-55)2.液相平均相对分子质量(3-56)3.气相密度(3-57)4.液相密度(3-58)5.液相粘度(3-59)6.气相流量(3-60)7.液相流量（3-61）表3.11精馏段、提馏段数据结果表精馏段提馏段气相平均相对分子质量29.44122.805液相平均相对分子质量26.84120.205气相密度1.04350.775液相密度787.1375895.667气相摩尔流量330.645330.645气相质量流量9734.5197540.359液相粘度0.34350.303液相摩尔流量228.908538.788液相质量流量6144.1210886.8123.4填料的选择填料是填料塔的核心构件，它提供了气液两相相接触传质与传热的表面，与塔内件一起决定了填料塔的性质。目前，填料的开发与应用仍是沿着散装填料与规整填料两个方面进行。本设计选用规整填料，金属板波纹250Y型填料。规整填料是一种在塔内按均匀几何图形排布、整齐堆砌的填料，规定了气液流路，改善了沟流和壁流现象，压降可以很小，同时还可以提供更大的比表面积，在同等溶剂中可以达到更高的传质、传热效果。与散装填料相比，规整填料结构均匀、规则、有对称性，当于散装填料有相同的比表面积时，填料孔隙率更大，具有更大的通量，单位分离能力大。250Y型波纹填料是最早研制并应用于工业生产的板波填料，它具有以下特点：1.比表面积与通用散装填料相比，可提高近一倍，填料压降较低，通量和传质效率均有较大幅度提高。2.与各种通用板式塔相比，不仅传质面积大幅度提高，而且全塔压降及效率有很大改善。3.工业生产中气液质均可能带入“第三项”物质，导致散装填料及某些板式塔无法完成操作。鉴于250Y型填料整齐的几何结构，显示出良好的抗堵性能，因而能在某些散装填料塔不适宜的场合使用，扩大了填料塔的应用范围。鉴于以上250Y型的特点，本设计本设计塔中压力很低，采用Mellapok-250Y型填料。3.5塔径设计计算3.5.1精馏段塔径计算由气速关联式[4]：（3-62）式中干填料因子；µL—液体粘度，mPa·S;A—250Y型为0.291；L、G—液体、气体质量流速，m/s；气体、液体密度kg/m3；g—重力加速度，m/s2。精馏段：=1.0435kg/m3，ρL=787.1357kg/m3,ε=0.97,a=250m2/m3,µL=0.3435mPa·s，L=6144.120kg/h，G=9734.519kg/h，带入式中求解得：uf=4.83m/s空塔气速：u=0.5uf=0.5×4.83=2.415m/s(3-63)(3-64)体积流量：(3-65)(3-66)圆整后：D=1200m，空塔气速u=2.13m/s3.5.2提馏段塔径计算，，，，所以：空塔气速：圆整后：D=1200m，空塔气速u=2.229m/s3.5.3选取整塔塔径提馏段和精馏段塔径圆整后D=1200m，为精馏塔塔径。3.6填料层高度计算3.6.1精馏段填料层高度计算，所以:(3-67)查得：【5】(3-68)精馏段填料高度：(3-69)式中精馏段理论板数据根据图1.2得7；2.8[5]。精馏段总压降：(3-70)3.6.2提馏段填料层高度计算，所以：查得：【5】提馏段填料高度：式中提馏段理论板数据根据图1.2得知为3；2.8[5]。提馏段总压降：(3-71)3.6.3全塔填料层总压降(3-72)3.6.4填料总高度(3-73)3.6.5填料层高度和压降计算汇总表3.12填料层高度和压降计算汇总参数精馏段提馏段全塔气动因子2.1761.962压降8590175总压降212.596.3308.8填料层高度/m2.51.073.57第4章塔附件的选型与设计4.1冷凝器本设计冷凝器选用重力回流直立或管壳式冷凝器原理，对于蒸馏塔的冷凝器，一般选用列管式，空冷凝螺旋板式换热器。因本设计冷凝器与被冷凝流体温差不大，所以选用管壳式冷凝器，被冷凝气体走管间，以便于及时排除冷凝液。冷却水循环与气体方向相反，即离流式。当气体进入冷凝器时，使其液膜厚度减薄，传热系数增大，利于节省面积，减少材料费，取冷凝器传热系数K=550kcal/(m2·h·°C)太原地区夏季最高平均水温28°C，升温10°C(4-1)(4-2)4.2加热器选用釜式再沸器，蒸汽选133.3°C饱和水蒸气，传热系数K=1000kcal/(m2·h·°C)Δt=133.3-100=33.3°C由表3.5得(4-3)(4-4)4.3塔内管径的计算及选择4.3.1进料管(4-5)圆整后：表4.1进料管数据[4]单位：mm内管外管RH1H276×4133×42251201504.3.2回流管对于直立回流一般0.2～0.5m/s，取WR=0.4m/s(4-6)圆整后：dR=89mm表4.2回流管数据[4]单位：mm内管外管RH1H289×4133×42651201504.3.3塔顶蒸汽接管操作压力常压，蒸汽速度WV=20m/s(4-7)圆整后：dV=426mm4.3.4再沸器回流管取出口速度v=20m/s，则(4-8)圆整后：d=426mm4.3.5塔釜出料管塔釜流出液体速度Ww取0.6m/s(4-9)圆整后：dw=57mm4.4液体分布器由于此填料塔塔径为1200mm，选用多孔型直列排管式常压（重力型）液体分布器。4.4.1回流液体分布器支管内径不得小于15mm和大于45mm，取支管为ø48×4，管子间距为137.5mm，在每根直列排管下部排3排布液孔，孔径采用ø4，孔中心线与垂线夹角α取30°。由于用于规整填料，直列排管式液体分布器直接放在规整填料上。表4.3回流液液体分布器数据[4]塔径/mm主管直径/mm支管排数管外缘直径/mm120080911404.4.2进料液分布器表4.4进料液液体分布器[4]塔径/mm主管直径/mm支管排数管外缘直径/mm12006571140取支管为ø48×4，管子间距为163mm，在每根直列排管下部排3排布液孔，孔径采用ø4，孔中心线与垂线夹角α取30°。4.5填料支承板的选择本设计采用的是规整填料推荐采用格栅支承板，材料选用Q235A。因为塔的内径为1200mm>800mm，需采用分块式格栅板。格栅板外径D=DT-(10~40)mm，故取格栅支承板外径1180mm。板条间距t=200m，隔板条间距t1≈1.5t，取t1=300mm，分块格栅板宽度l，l1=400mm。表4.5支承板尺寸及能支承的填料层高度[4]塔径/mm格栅板尺寸能支承的填料层高度H外直径D栅条高度h×厚度s1200116860×106DN表4.6支持圈尺寸[4]塔径/mmD1D2厚度/mm支持板数碳素钢不锈钢12001194107410864.6塔釜设计料液在釜内停留5min,装填系数取0.5塔釜液量：(4-10)塔釜体积：(4-11)(4-12)(4-13)4.7裙座设计塔底常用裙座支撑，裙座的结构性能好，连接处产生的局部阻力小，所以它是塔设备的主要支座形式，为了制作方便，一般采用圆筒形。裙座壁厚取10mm。考虑到再沸器裙座高度取3m.地脚螺栓直径取M42.裙座筒体上端面至塔釜封头切线距离h=61mm。4.8吊柱对于较高的室外无框架的整体塔，在塔顶设置吊柱，对于补充和更换填料、安装和拆卸内件，及经济又方便的一项设施，本设计塔高将近15m，因此设吊柱。因设计塔径D=1200mm，选用吊柱500kg。表4.7塔顶吊柱标准系列尺寸[4]S/mL/mH/mG500质量kg标准图号ø×δ/mR/mE/mL/m120038001100159×10900250110258HG/T21639-1980-184.9人孔人孔是安装或检修人员进出塔的唯一通道，人孔的设置应便于进入任何一层塔盘。填料塔人孔可设置在每段填料的上、下方，同时兼作填料装卸孔用。人孔设置一般在气液进出口等经常维修清理的部位，另外塔顶和塔釜也各设一人孔。故本设计设置3个人孔，每个孔直径为450mm，裙座上设置2个人孔，直径为450mm，人孔伸入塔内部应与塔内壁修平，其边缘需到棱和磨圆，人孔法兰的密封面形式及垫片用材，一般与塔的接管法兰相同，本设计也是如此。由于此次设计的操作压力为常压，采用结构比较简单的常压人孔。表4.8垂直吊盖板式平焊法兰人孔尺寸[5]单位/mm公称直径DNdw×sDD1ABbb1b2H1H2螺栓螺母数量螺栓总质量/kg直径×长度450480×659555035025014101222011020M16×5044.34.10法兰由于常压操作，所有法兰均采用标准管法兰，突面板式平焊管法兰，由不同的公称直径选用相应的法兰。表4.9PN0.25MPa板式平焊钢制管法兰[5]单位：mm公称通径D管子外径A1连接尺寸法兰厚度C法兰内径B1理论重量(kg)法兰外径D螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径L螺栓孔数量n螺纹Th5057140110144M1216591.516576160130144M1216781.858089190150184M1618912.94125133240200188M16201354.534004265404952216M202843017.14.11除沫器当空塔气速较大，塔顶带液现象严重，以及工艺过程中不许出塔气速夹带雾滴的情况下，设置除沫器以减少液体夹带损失，确保气体纯度，保证后续设备的正常操作。常用除沫器有折流板式除沫器、丝网除沫器以及程流除沫器。本设计采用丝网除沫器，其具有表面极大、重量轻、空隙大及使用方便等优点。设计时人孔在丝网除沫器下方，所以采用下装式丝网除沫器。丝网除沫器直径由气体通过丝网的最大气速决定：（4-14）式中：k—比例系数，通常取0.085~1.0；—液相密度，kg/m3；—气相密度，kg/m3。实际气速取最大气速的0.75~0.8，则：除沫器直径：（4-15）表4.10下装式丝网除沫器基本参数[5]公称直径DN/mm主要外形尺寸，mm质量/kgHH1D1200100176112056第5章塔总体高度设计5.1塔顶部空间高度塔的顶部空间高度是指精馏段填料上部到塔顶封头的直线距离，取除沫器到提馏段填料上部的距离为900mm，塔顶部空间高度为1200mm。5.2进料部位空间高度进料部分空间高度是指提馏段填料上部到精馏段填料的下部的直线距离取为1000mm。5.3塔立体高度H=H填料+H釜+H裙+H封+H顶+H进料+H顶部接管+h=3.57+2+3+0.335+1.2+1+0.15+0.086=11.341m 第6章塔设备的机械设计6.1设计条件塔体内径Di=1200m，塔高近似取H=12m。计算压力Pc=0.11MPa，设计温度t=100°C。设置地区：基本风压值q。=300N/m2；地震设防强度为8级；场地土类；B类。塔内釜液残留为，釜液密度。从塔底向上在3501mm、6671mm、10271mm三处开设三个人孔，相应在人孔处安装半圆形平台3个，平台宽度为B=900mm，高度为1000mm。塔体与封头材料选用16MnR，其【δ】t=170MPa，【δ】=170MPa，δs=345MPa，Et=1.9×105MPa。裙座材料选用Q235-B。塔体与裙座对接焊接，塔体焊接接头系数ø=0.85。塔体与封头壁厚附加量取C=3mm，裙座厚度附加量C=2mm。精馏塔其他有关尺寸详见装配图。6.2按压力计算筒体和封头厚度筒体计算厚度：（6-1）封头计算厚度：（6-2）加上厚度附加量C=3mm，并圆整，还应考虑多种载荷因素，以及制造、运输、安装等因素，取：筒体的名义厚度，有效厚度（6-3）封头的名义厚度，有效厚度裙座的名义厚度，有效厚度6.3塔的质量计算6.3.1塔壳和裙座的质量1.圆筒的质量塔体圆筒总高度：H=2+3.57+2.2-0.04=7.73m一米高筒体的质量m=298kg[5]，则塔体圆筒总质量：m1=7.73m=7.73×298=2303.54kg2.封头质量查得DN1200mm，厚度10mm的标准椭圆形封头质量128.3kg，（封头曲面深度300mm，直边高度40mm）封头质量：m2=128.3×2=256.6kg3.裙座质量裙座高度3000mm，一米高筒体的质量m=298kg[5]，则裙座质量:m3=298×3=894kgm01=m1+m2+m3=2690.94+256.6+894=3841.54kg6.3.2塔内构件质量每立方米250Y波纹孔板规整填料的质量为200kg，填料总高度3.57m。（6-4）6.3.3平台扶梯质量由[7]中的塔设备的机械设计，采用钢制平台，其质量为qp=150kg/m2，采用笼式扶梯，笼式扶梯质量qF=40kg/m,笼式扶梯总高度HF=10m，平台数量n=3（6-5）=1840kg6.3.4操作时物料重量操作时，料液在釜内停留15min，料液体积（6-6）釜液密度：。m04=895.667×1.15=3097.23kg6.3.5附件质量按经验取附件质量为：ma=0.25m01=0.25×3841.54=906.385kg(6-7)6.3.6冲水质量(6-8)6.3.7全塔操作质量m0=m01+m02+m03+m04+ma=3841.54+807.1+1840+3097.23+906.385=10492.25kg(6-9)6.3.8全塔最大质量mmax=m01+m02+m03+m04+ma+mw=m0+mw=10492.25+10716=21208.25kg(6-10)6.3.9全塔最小质量mmin=m01+0.2m02+m03+m04+ma=3841.54+0.2×807.1+1840+3097.23+906.385(6-11)=9846.59kg表6.1塔的分段及各段质量单位：kg塔段1234合计塔段长度/mm100020004000500012000人孔、平台数00213m012985961618.31329.243841.54m0200214603.1807.1m031226.8613.21840m04228.482868.753097.23ma69.72139.44348.6348.625906.385mw254.556524809.510716mo367.72963.926276.452884.1610492.25mmax367.721218.4211928.457693.6621208.25mmin367.721218.4211757.257211.1209846.596.4塔的自振周期计算因为H/Di=12000/1200=10，可以不考虑振型影响。塔的基本自振周期[6]（6-12）6.5地震载荷计算由[8]表9-22查得：（设计地震强度为7级）由[8]表9-22查得：（二类场地土，近震）地震影响系数：（6-13）结构综合影响系数CZ=0.5。确定危险截面，0-0截面为裙座基底截面，1-1截面为裙座人孔处截面，2-2截面为裙座与塔体焊缝处截面。计算危险截面的地震弯矩：0-0截面：(6-14)1-1截面：（6-15）式中：h—计算截面距地面的高度，mmCZ—结构综合影响系数，取CZ=0.5α1—对应于塔基本自振周期T1的地震2-2截面：（6-16）6.6风载荷计算6.6.1风力计算1.风振系数各计算塔段的风振系数K2i由【3】（6-17）式计算，式中：脉动增大系数；第i计算段脉动影响系数；第i计算段振型系数；风压高度变化系数；表6.2各塔段的风振系数塔段号1234计算截面距地面高度hit/m1245脉动增大系数ξ（B类）2.74脉动影响系数vi(B类)0.720.720.720.79振动系数øzi0.0060.03750.1260.35风压高度变化系数fi(B类)0.640.81.01.231.0181.0921.2491.6162.有效直径Dei设笼式扶梯与塔顶管线成90°角，取平台构件的投影面积∑A=0.5m2，则Dei取下式计算之中的较大者。（6-18）（6-19）式中：塔器第i计算段的保温层厚度，mm；笼式扶梯当量宽度，当无确切数据时，可取K3=400mm；操作平台当量宽度，mm；操作平台所在的计算段长度，mm；第i计算段内平台构件的投影面积，mm2；do—塔顶管线外径，mm；管线保温层厚度，mm。此次设计中塔和管线没设保温层，即，塔顶管线外径，K3=400mm。表6.3各塔段的有效直径单位：mm塔段号1234塔段长度1000200040005000K340000200111Dei16001600180017113.水平风力计算两相邻计算截面间的水平风力：（6-20）式中Pi—塔器第i计算段的水平风力，N；q0—基本风压值，N/m2；fi—风压高度变化系数；li—塔第i计算段长度，mm；K1—塔型系数，取K1=0.7；K2i—塔器第i计算段的风振系数，当塔高H≤20m时，K2i=1.7。表6.4各塔段水平风力计算结果塔段号1234K10.7K2i1.7q0/N/m2300fi0.640.81.01.23li/mm1000200040005000Dei/mm1600160018001711Pi/N466.32207.34184.411540.66.6.2风弯矩计算0-0截面：（6-21）=233150+6621900+31383000+167338700=2.1×108N·mm1-1截面：（6-22）=4414600+27198600+155798100=1.87×108N·mm2-2截面：（6-23）=10461000+109635700=1.2×108N·mm6.7各种载荷引起的轴向应力6.7.1计算压力引起的轴向拉应力（6-24）6.7.2操作质量引起的轴向应力0-0截面：（6-25）1-1截面：（6-26）式中，裙座人孔处截面的面积Asm=33500mm2【11】2-2截面：6.7.3最大弯矩引起的轴向应力最大弯矩取下式计算值中较大者：（6-27）0-0截面：（6-28）1-1截面：（6-29）2-2截面：（6-30）计算结果如下：表6.5各段截面应力截面0-01-12-22.1×1081.87×1081.2×108危险截面的计算如下：0-0截面：（6-31）1-1截面：（6-32）式中：裙座人孔处截面的抗弯截面系数Zsm=8790000mm2【11】2-2截面：（6-33）6.8筒体和裙座危险截面的强度与稳定性校核6.8.1筒体的强度与稳定性校核1.强度校核筒体危险截面2-2处最大组合轴向拉应力：（6-34）轴向许用应力：（6-35）式中：K—载荷组合系数，取K=1.2.Ø—焊接接头系数，取0.85。因为，故满足强度条件。2.稳定性校核筒体危险截面2-2处的最大组合轴向压应力（6-36）许用轴向压应力：取其中较小值计算系数:（6-37）外压圆筒的计算的材料图B=110MPa[15]。则取因为，故满足稳定性条件。6.8.2裙座的稳定性校核裙座危险截面0-0及1-1截面处的最大组合轴向压应力（6-38）（6-39）计算系数：外压圆筒的计算的材料图[15]B=110MPa。则取因为，，故满足稳定性条件。6.9筒体和裙座水压试验应力校核6.9.1筒体水压试验应力校核1.由试验压力引起的环向应力δ试验压力：（6-40）（6-41）（6-42）因为，故满足要求。2.由试验压力引起的轴向应力（6-43）3.水压试验时，重力引起的轴向应力（6-44）4.由弯矩引起的轴向应力（6-45）5.最大轴向拉应力校核（6-46）许用应力：因为，故满足要求。6.最大组合轴向压应力校核（6-47）轴向许用压应力:（6-48）取其中较小值取，因为，故满足要求。6.9.2裙座水压试验应力校核1.水压试验时，重力引起的轴向应力（6-49）（6-50）2.弯矩引起的轴向应力（6-51）（6-52）3.最大轴向压应力校核（6-53）（6-54）轴向许用压力取其中较小值取，因为，，故满足要求。6.10基础环设计6.10.1基础环尺寸取（6-55）（6-56）6.10.2基础环应力校核（6-57）取其中较大值（6-58）（6-59）（6-60）（6-61）取。选用75号混凝土，其许用应力，因为，故满足要求。6.10.3基础环厚度按照有筋板时，计算基础环厚度（6-62）设地脚螺栓直径为M42，l=160mm，则b/l=0.875≈0.9【2】（6-63）（6-64）取（6-65）基础环材料的许用应力基础环厚度：（6-66）取Sb=20mm。6.11地脚螺栓计算6.11.1地脚螺栓承受的最大拉应力地脚螺栓承受的最大拉应力：取其中较大值（6-67）取。6.11.2地脚螺栓直径因为，故此塔设备必须安装地脚螺栓，取地脚螺栓个数n=12，地脚螺栓材料的许用应力。（6-68）表6.6地脚螺栓座尺寸单位：mm螺栓规格δKBCD(D)l3δGδCδZl1lsl4d2d3d4M42×3.530075652102409018241817014090456060以上各项计算均满足强度条件及稳定性条件，塔的机械设计结果列于表表6.7甲醇回收精馏塔机械设计结果汇总表塔的名义厚度筒体Sn=10mm，封头Snh=10mm，裙座Sns=10mm塔的载荷及其弯矩质量载荷风弯矩地震弯矩各种载荷引起的轴向应力计算压力引起的轴向应力操作质量引起的轴向应力最大弯矩引起的轴向应力最大组合轴向拉应力最大组合轴向压应力强度及稳定性校核强度校核满足强度条件稳定性校核满足稳定性条件满足稳定性条件满足稳定性条件水压试验时的应力校核筒体满足强度要求满足强度要求满足稳定性条件裙座满足稳定性条件满足稳定性条件基础环设计基础环尺寸Dob=1500mm，Dib=900mm，Sb=20mm基础环的应力校核满足要求地脚螺栓设计地脚螺栓直径M36，地脚螺栓个数n=126.12开孔补强本设计中开孔采用补强圈补强。补强圈补强结构简单，制造容易，价格低廉，可就地取材，使用经验也比较成熟，所以广泛应用于中、低压的压力容器。人孔的补强圈补强：1.计算削去的承受应力所需的金属截面按简化计算：（6-69）依题意式中的（6-70）补强圈材料选用16MnR，其在100°C的（6-71）式中：去掉接管壁厚附加量后的接管内直径，，mm；接管内直径，mm；接管的壁厚附加量，此次设计时为0；在开孔处壳体承受应力所必需的最小厚度，mm。若开孔不在筒体的焊缝上，则（6-72）于是2.多余截面（1）有效区范围B=2d=468×2=936mm（6-73）（6-74）