筛板式精馏塔机械设计说明书Word格式.doc
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24
管口
符号
公称尺寸
用途
a
Dg273
进料管口
b
Dg38
出料管口
c
Dg325
塔顶蒸汽出口
d
回流液口
e
Dg20
液面计接口
f
釜液出口
设计要求
1、筛板精馏塔机械设计及整体结构设计。
2、绘制筛板式精馏塔装配图（一张一号图纸）
二、设计方法及步骤
1、材料选择
设计压力，属于低压分离设备，一类容器，未提技术要求；
产品特性为易燃、易挥发；
设计温度为,介质为甲醇和水，年腐蚀欲度很小，考虑到设备材料经济性，筒体，封头和补强圈材料选用，裙座选用。
2、塔设备主要结构尺寸的确定
㈠塔高
1）塔主体高度
2）塔的顶部空间高度
3）塔的底部空间高度
4）裙座高度
5）封头高度
6）塔高
取
㈡塔径
1）筒体厚度计算
式中：
——材料的许用应力。
在厚度为3~16时，。
——塔体焊接接头系数。
采用双面对接焊，局部无损探伤，
名义厚度
厚度附加量
——厚度负偏差。
按中的B类要求负偏差取。
——腐蚀裕量。
取。
对于碳素钢、低合金钢制容器，故按刚度条件，筒体厚度仅需3，但考虑此塔较高，风载荷较大，取塔体名义厚度10。
有效厚度
2）封头厚度计算
采用标准椭圆封头，K=1。
因为封头的椭球部分经线曲率变化平滑连续，故应力分布比较均匀，且椭圆形封头深度较半球形封头小得多，易于冲压成型，是目前中，低压容器中应用比较多的封头之一。
封头曲面高350，直边高度40。
为了便于焊接，取封头和筒体等厚，故封头名义厚度10，有效厚度7.7。
3）筒体外径
3、塔的载荷分析
㈠质量载荷
1）塔体和裙座质量
查《石油化工设备设计便查手册》表2-1-1以内经为公称直径的封头尺寸可得封头质量为177.92，密度。
2）塔内件质量
塔内筛板塔盘数50，筛板塔盘质量
3）保温材料质量
选择超细玻璃棉毡未保温材料，密度，厚度取100，封头内表面积S=2.3005
4）操作平台及扶梯质量
环形平台，每7安装一层，共4层，宽度1.2，单位质量，包角；
笼式扶梯，单位质量。
5）操作时物料质量
堰高50，物料平均重度。
6）塔附件质量
7）水压试验时充水质量
8）塔设备在正常操作时的质量
9）他设备在水压试验时的最大质量
10）塔设备在停工检修时的最小质量
㈡风载荷
安装在室外的塔设备将受到风力的作，使塔产生应力、变形和振动。
1）风力计算
塔设备中第计算段所受的水平风力可由下式计算
式中
——塔设备中第段的水平风力，；
——塔设备中第段迎风面的有效直径，；
——风压高度变化系数，查《过程设备设计》P304表7-5；
——各地区的基本风压，；
——塔设备各计算段的计算高度（见图），；
——体型系数，；
——塔设备中第计算段的风振系数。
①风压
风压计算时，对于高度在10以下的塔设备，按一段计算，以设备顶端的风压作为整个塔设备的均布风压；
对于高度超过10的塔设备，可分段进行计算，每10分为一个计算段，余下的最后一段高度取其实际高度，如图所示，将塔高分成三段，其中任意计算段的风压为
式中——第段的风压，。
②风振系数
对塔高的塔设备，取。
而对于塔高时，则按下式计算
——脉动增大系数，其值按《过程设备设计》P305表7-6确定；
——第段的脉动影响系数，其值按《过程设备设计》P305表7-7确定；
——第段的振型系数，其值按《过程设备设计》P305表7-8确定.
③塔设备迎风面的有效直径
塔设备迎风面的有效直径是该段所有受风构件迎风面的宽度总和。
当笼式扶梯与塔顶管线布置成时
——塔设备各计算段的外径，；
——塔设备各计算段保温层的厚度，；
——塔顶管线外径，；
——管线保温层厚度，；
——笼式扶梯当量宽度，当无确定数据时，可取；
——操作平台的当量宽度，；
——第段内操作平台构件的投影面积（不计空挡的投影面积），；
——操作平台所在计算段塔的高度，。
各段风力计算结果如下表示：
各段风力计算结果
塔段号
1
2
3
塔段长度，
1~10
11~20
21~32
0.7
2.55
0.64
0.73
0.78
0.159
0.516
1.0
0.74
0.84
1.03
1.351
2.143
2.969
，
300
10
12
1.42
0.25
0.4
0.09
0.04
0.03
2.56
2.51
2.41
5375
9488
16831
2）风弯矩计算
裙座底部0-0截面的风弯矩
筒体底部Ⅰ-Ⅰ截面的风弯矩
㈢筒体的强度及稳定性校核
1）筒体底部Ⅰ-Ⅰ截面轴向应力计算
2）筒体底部Ⅰ-Ⅰ截面稳定性校核
该截面最大轴向压缩应力发生于空塔时：
其中组合系数，，，
由于
因此筒体底部Ⅰ-Ⅰ截面满足抗压强度及轴向稳定性要求。
筒体底部Ⅰ-Ⅰ截面抗拉强度校核
筒体底部Ⅰ-Ⅰ截面上的最大拉应力为
故该截面满足抗拉强度要求。
综合以上以上各项计算，在各种不同危险工况下，塔体壁厚取10可以满足塔体的强度、刚度和稳定性要求。
4、水压试验时塔体的强度要求
㈠水压试验时塔体Ⅰ-Ⅰ截面的强度校核（周向应力）
1）水压试验压力
式中——耐压试验压力系数：
对于钢和有色金属，液压试验时。
2）水压试验时塔体强度校核
由于满足水压试验要求。
㈡水压试验时裙座底部0-0截面的轴向强度和稳定性验算.
故裙座底部0-0截面满足轴向强度和稳定性要求。
5、裙座的强度及稳定性校核
裙座材料，取厚度与筒体、封头相等，，，
㈠裙座底部0-0截面强度校核
裙座底部0-0截面轴向应力计算
抗压强度及轴向稳定性校核
式中，
因此筒体底部0-0截面满足抗压强度及轴向稳定性要求。
筒体底部0-0截面抗拉强度校核
筒体底部0-0截面上的最大拉应力为
综上筒体底部0-0截面满足强度及轴向稳定性要求。
㈡裙座焊缝强度校核
此塔裙座与塔体采用对接焊缝，焊缝承受的组合拉应力为：
㈣裙座基础环设计
1）基础环的内、外直径确定
外径
内径
2）混凝土强度校核
正常操作时：
水压试验时：
以上应力均小于各种标号混凝土的压应力许用值，因此满足强度要求。
3）基础环板厚度计算
由于该塔较高，塔底裙座采用加筋板结构，基础环板采用28个均布地角螺栓固定，取筋板的厚度为，则基础环上筋板间的距离为：
基础环的外伸宽度
两筋板间基础环部分的长宽比
查《塔设备》表7-15得
基础环板厚度为
考虑腐蚀裕量，取。
4）地脚螺栓设计
塔设备作用在迎风面侧基础上的最小应力：
由于，设备有可能倾倒，必须采用地脚螺栓予以固定。
选用地脚螺栓材料为，该材料的许用应力为。
取腐蚀裕量，则地脚螺栓的根径
根据标准地脚螺栓的尺寸选用27的地脚螺栓28个。
5、开孔和开孔补强设计
由于各种工艺和结构上的要求，不可避免地在容器上开孔并安装接管。
开孔以后，除削弱器壁的强度外，在壳体和接管的连接处，因结构的连续性被破坏，会产生很高的局部应力，给容器的安全的操作带来隐患，因此压力容器设计必须充分考虑开孔不强的问题。
㈠补强结构
压力容器接管补强结构通常采用局部补强结构，主要有补强圈补强、厚壁接管补强和整锻件补强三种形式。
此塔工作温度不高，并且在静载、低压环境下工作，另外材料的标准抗拉强度低于540，壳体名义厚度不大于38，因此选用补强圈补强。
㈡开孔补强设计准则
开孔补强设计就是指采取适当增加壳体或接管厚度的方法将应力集中系数减小到某一允许数值。
目前通用的、也是最早的开孔补强设计准则是基于弹性失效设计准则的等面积补强法。
此方法的优点是有长期的实践经验，简单易行，当开孔较大时，只要对其开孔尺寸和形状等予以一定的配套限制，在一般压力容器使用条件下能够保证安全。
㈢允许不另行补强的最大开孔直径
根据《过程设备设计》P161表4-15不行补强的接管最小厚度，允许不另行补强的最大接管外径为89。
塔进气管口为3258和蒸汽出口2456需另行补强。
㈣等面积补强计算
Ⅰ塔进气管口为3258补强计算
1）补强判别
开孔直径309+22.7=314.4=700，满足等面积法开孔补强计算的使用条件，故可使用等面积法进行开孔补强计算。
2）开孔补强所需面积
强度削弱系数，
接管有效厚度为8-2.7=5.3
开孔所需补强面积按课本P175式（4-91）计算
3）有效补强范围
①有效宽度B按课本式（4-91）确定
取较大值，故
②有效高度外侧有效高度按课本式（4-95）确定
故
内侧有效高度按课本式（4-96）确定
4）有效补强面积
①筒体多余金属面积按课本式（4-97）计算
②接管多于金属面积
接管计算厚度
接管多于金属面积按课本式（4-98）计算
5）接管区焊缝面积（脚焊取6.0）
6）有效补强面积
故开孔后不需要另行补强。
Ⅱ塔进气管口为2456补强计算
开孔直径233+22.7=238.4=700，满足等面积法开孔补强计算的使用条件，故可使用等面积法进行开孔补强计算。
接管有效厚度为6-2.7=3.3
②有效高度外侧有效高度按课本式（4-95）确定
取较小值，故
取较小值，故0
①封头多余金属面积按课本式（4-97）计算
三、塔附属结构设计
1、塔盘结构
塔盘通常由气液接触元件、塔板、降液管、受液盘，溢流堰等组成。
当塔径大于或等于800时，采用分块式塔盘，便于制造、安装和检修。
2、裙座
塔体常用群座支撑。
圆筒形裙座制造方便，经济上合理，故选用圆筒形裙座，与塔体采用对接的焊接方式。
采用对接接头时，裙座筒体外与塔体下封头外径相等，焊缝必须采用全熔透的连续焊，且与封头外壁圆滑过渡。
裙座材料为，内径为，壁厚，高3。
3、吊柱
安装在室外，无框架的整体塔设备，为了安装及拆卸内件，更换或补充填料，往往在塔顶设置吊柱。
吊柱的方位应使吊柱中心线与人孔中心线有合适的夹角，是人能站在平台上操作手柄，使吊柱的垂直线可以转到人孔附近，以便从人孔装入或取出塔内件。
吊柱的结构及在塔上的安装如下图示。
其中吊柱管采用20无缝钢管，其它部件采用。
4、人孔
开孔孔径为500，3个，加补强圈，人孔处塔板间距800。
5、除沫器
在塔内操作气速较大时，会出现塔顶雾沫夹带，这不但造成物料的流失，也使塔的效率降低，同时还可能造成环境的污染。
为了避免这种情况，需要在塔顶设置除沫装置，从而减少液体的夹带损失，确保气体的纯度，保证后续设备的正常操作。
选用丝网除沫器，因为它具有比表面积大，重量轻、空隙率大、除沫效率高、压降小以及使用方便等优点。
四、参考文献
1郑津洋，董其伍，桑之富主编.过程设备设计.第三版.北京：
化学工业出版社，2010
2赵惠清，蔡纪宁主编.化工制图.北京：
化学工业出版社，2008
3潘永亮主编.化工设备机械基础.北京：
科学出版社，2007
4路秀玲，王者相等编.塔设备.北京：
化学工业出版社，2004
5中国石化集团洛阳石油化工工程公司编.石油化工设备设计便查手册.北京：
中国石化出版社，2002
五、设计小结
六、筛板式精馏塔装配图
见图纸
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