乙醇水精馏浮阀塔设计计算说明书本科毕业设计.doc

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山东大学

课程设计（论文）

设计（论文）题目：

乙醇——水浮阀式精馏塔设计

姓名

学院机械工程学院

专业过程装备与控制工程

年级2012级

指导教师

2015年12月31日

乙醇-水精馏浮阀塔设计计算说明书

摘要 IV

Abstract V

第一章绪论 -1-

1.1设计背景 -1-

1.2设计任务 -1-

1.1.1设计任务概述 -1-

1.1.2设计任务书 -2-

1.3设计方案 -2-

第二章塔总体结构设计 -3-

2.1总体结构 -3-

2.2主体尺寸 -3-

2.2.1塔高 -3-

（注：

H指从基础环到上封头切线高度） -5-

2.2.2设计参数及材料指标 -5-

2.2.3壁厚 -5-

2.3总结 -6-

第三章塔盘设计与校核 -7-

3.1塔盘型式设计 -7-

3.2塔盘的结构设计 -7-

3.2.1塔盘结构 -7-

3.2.2浮阀 -7-

3.2.3受液盘 -7-

3.2.4排液孔 -8-

3.2.5降液板 -8-

3.2.6入口堰 -8-

3.2.7出口堰 -8-

3.2.8液封盘 -9-

3.3塔盘的校核 -9-

3.3.1塔盘载荷计算 -9-

3.3.2塔盘边板强度校核 -10-

3.3.3通道板的强度校核 -13-

3.4总结 -15-

第四章塔设备的强度设计与稳定校核 -16-

4.1塔体载荷分析 -16-

4.1.1质量载荷 -16-

4.1.2风载荷和风弯矩 -19-

4.1.3地震载荷 -22-

4.1.4偏心弯矩 -25-

4.1.5计算截面处载荷 -25-

将上述各截面的计算结果汇总于下表 -25-

4.1.6最大弯矩 -26-

4.2筒体的强度及稳定校核 -27-

4.2.1操作工况 -27-

4.2.2液压实验 -29-

4.3裙座壳体轴向应力校核 -30-

4.3.1裙座底部截面的校核 -30-

4.3.2检查孔中心截面的校核 -31-

4.4本章小结 -33-

第五章塔附件设计 -35-

5.1保温层与保温圈 -35-

5.1.1保温层 -35-

5.1.2保温圈 -35-

5.2裙座 -35-

5.2.1裙座形式及材料 -35-

5.2.2裙座与封头连接结构 -36-

5.2.3地脚螺栓座 -36-

5.2.4排气管 -36-

5.2.5塔底接管引出孔 -37-

5.3塔顶吊柱 -37-

5.4除沫器 -37-

5.5操作平台与梯子 -38-

5.5.1操作平台 -38-

5.5.2梯子 -39-

5.6本章小结 -42-

第6章裙座强度校核 -43-

6.1基础环强度校核 -43-

6.1.1基础环尺寸 -43-

6.1.2基础环强度校核 -43-

6.2地脚螺栓座强度校核 -44-

6.2.1筋板强度校核 -45-

6.2.2盖板强度校核 -46-

6.3裙座与筒体对接焊缝强度校核 -46-

6.4本章小结 -47-

第7章开孔及开孔补强设计 -48-

7.1开孔补强设计 -48-

7.1.1气体出口补强设计 -48-

7.1.2气体入口补强设计 -50-

7.1.3液体出口补强设计 -52-

7.1.4人孔补强设计 -54-

7.2接管及法兰选型 -56-

7.3本章小结 -58-

参考文献 -59-

谢辞 -60-

摘要

在化工、炼油、医药、食品及环境保护等工业部门，塔设备是一种重要的单元操作设备，它广泛应用于蒸馏、吸收、气提、萃取、气体的洗涤、增湿及冷却等单元操作中。

而在这之中，浮阀塔因其优良的性能成为当今应用最广泛的塔型之一。

本次设计以《化工设备设计手册》、NB47041-2014《塔式容器》、GB150-2011《压力容器》、《塔设备》等为主要依据，综合考虑设计条件对塔总体结构、塔盘结构、附件结构、载荷分析、强度校核等几个方面进行了设计计算；并绘制装配图和零件图。

关键词：

浮阀塔；设计；校核

Abstract

Thetowerequipmentisanimportantunitoperationequipmentinthechemicalindustry,oilrefining, pharmaceutical, food and environmentalprotection andotherindustrialsectors.Itiswidelyusedindistillation,absorption,extraction,gaslift,gaswashing,humidificationcoolingandotherunitoperations.Andinthis,thefloatvalvebecameoneoftoday’smostwidelyusedtowertypeduetoitsexcellentperformance.

Thedesignmainlybasedonthe“ChemicalEquipmentDesignManual”,NB47041-2014“TowerContainer”,GB150-2011“PressureVessel”and“TowerEquipment,consideringthedesignconditionstodesignandcalculateseveralaspects,includingtheoverallstructureofthetower,thestructureoftray,hestructureofaccessory,loadanalysis,strengthcheckandsoon;anddrawassemblyandpartsdrawings.

Keyword:

Floatingvalvetower;design;check

第一章绪论

本章主要对本次课程设计的内容进行简单叙述，介绍设计的背景，给出并分析设计任务，确定设计方案。

1.1设计背景

在化工、炼油、医药、食品及环境保护等工业部门，塔设备是一种重要的单元操作设备，它广泛应用于蒸馏、吸收、气提、萃取、气体的洗涤、增湿及冷却等单元操作中，它的操作性能好坏，对整个装置的生产，产品产量、质量、成本以及环境保护、“三废”处理等都有较大的影响。

随着石油、化工的迅速发展，塔设备的合理造型及设计将越来越受到关注和重视。

浮阀塔是塔设备中应用较多的一种类型，它是在20世纪50年代前后开发和应用的，并在石油、化工等工业部门代替了传统使用的泡罩塔，成为当今应用最广泛的塔型之一，并因具有优异的综合性能，在设计和选用塔型时常是被首选的板式塔。

浮阀塔的优点：

生产能力大，比泡罩塔提高20-40%；操作弹性大，塔板效率变化小；效率高，气液接触好，雾沫夹带小；重量轻,造价低，仅为泡罩塔的60-80%。

1.2设计任务

本节对本次设计的设计任务进行了简要介绍，并以表格的形式给出了设计任务书。

1.1.1设计任务概述

精馏塔设备设计包括工艺设计和机械设计两部分，本次设计是在《化工原理课程设计》即工艺设计基础上进的机械设计。

依据工艺设计参数及使用条件等，从制造、安装、使用、检修等出发，进行结构的设计，并对其强度、刚度、稳定性等进行校核，以保证设备的安全运行。

1.1.2设计任务书

表1-1设计任务书

1.3设计方案

本设计主要依据《化工设备设计手册》、NB47041-2014《塔式容器》、GB150-2011《压力容器》、《塔设备》等进行以下方面的设计：

塔的总体结构设计、塔盘结构设计与校核、塔体载荷分析、塔体校核计算、塔设备零部件设计、地脚螺栓座校核计算、塔体开孔与补强设计等。

下面将针对以上内容逐章节展开。

第二章塔总体结构设计

本章主要对塔的总体结构进行初步的设计，确定塔大致结构，并参考《塔设备》、《过程设备设计》等文献确定塔的主体尺寸如塔高、壁厚等。

2.1总体结构

该设计主体塔的总体结构如总装图所示，包括封头、筒体、裙座、塔盘、塔附件、塔内件、开孔与接管等。

2.2主体尺寸

本节主要根据《塔设备》、《过程设备设计》等文献确定塔的高度、壁厚等主体尺寸。

2.2.1塔高

本条主要是根据《塔设备》等书确定塔、筒体等部分的高度。

2.2.1.1封头高度

封头为椭圆标准封头。

塔内径，取直边段高度为。

由文献[1,13~14]可知，封头深度为，其结构形式如图2-1所示。

图2-1椭圆标准封头

2.2.1.2塔顶空间

塔顶空间是指塔顶第一层塔盘到塔顶封头切线的距离。

为了减少塔顶出口气体中夹带的液体量，顶部空间一般取1.2~1.5m。

此次设计中，塔顶空间取值为。

2.2.1.3人孔布置

在塔顶空间、精馏段、进料板处、塔底空间各布置一个人孔，即人孔数目。

2.2.1.4塔板间距

根据设计条件可得，普通塔板间距为，人孔处塔板间距为。

对于进料板处，此处开人孔，故塔板间距也为700mm。

2.2.1.5塔底空间

塔底空间是指塔底最末一层塔盘到塔底下封头切线处的距离。

由设计条件可得，塔底液柱高度为2000mm；塔底液面至最下层塔板之间留1~2m的间距，本次设计取为1375mm，则塔底空间高度为

2.2.1.6裙座高度

由设计条件可得，裙座高为

2.2.1.7塔体总高

（注：

H指从基础环到上封头切线高度）

2.2.1.8塔主体高

2.2.2设计参数及材料指标

设计压力，设计温度取，塔底液柱静压力为0.02Mpa。

由于0.02Mpa<5%×0.9Mpa，故液柱静压力可忽略不计。

根据设计条件，筒体和封头材料均为16MnR（Q345R），由文献[3,43]，假设壁厚为3~16mm，设计温度t=120℃下，材料的许用应力，。

2.2.3壁厚

本条主要根据《过程设备设计》等书确定筒体、封头的壁厚。

2.2.3.1筒体壁厚

由文献[3,13~14]可知，焊接接头系数可取。

由文献[4,1]可知，B类偏差固定负偏差为；由文献[5,115]可知，腐蚀裕量可取。

筒体计算厚度为

（2-1）

筒体设计厚度为

设计厚度加上厚度负偏差，并进行圆整，取筒体名义厚度为

筒体有效厚度

2.2.3.2封头壁厚

焊接系数，厚度负偏差，腐蚀裕量。

封头计算厚度为

（2-2）

封头设计厚度

设计厚度加上厚度负偏差，并进行圆整，取封头名义厚度为

封头有效厚度

2.3总结

本章根据设计任务给定的条件并参考相关标准，确定了塔高、塔体壁厚等主体结构尺寸，初步设计了塔的总体结构。

第三章塔盘设计与校核

本章主要是对塔盘型式及结构的设计和校核，并选取了相应的塔盘附属部件，主要参考的文献有《塔设备》、《化工设备设计手册》、GB150-2011《压力容器》、NB/T47041-2014《塔式容器》、SH/T3088-2012《石油化工塔盘技术规范》等。

3.1塔盘型式设计

由文献[6,1034~1035]可知，塔径为1000mm≥800mm，故选用单液流程分块式浮阀塔盘；塔盘材料无特别说明，选用16MnR；塔盘板厚度为4mm，降液板厚度4mm。

3.2塔盘的结构设计

本节主要依据《化工设备设计手册》、GB150-2011《压力容器》、NB/T47041-2014《塔式容器》、SH/T3088-2012《石油化工塔盘技术规范》等文献，对塔盘的尺寸、结构、附件等进行设计。

3.2.1塔盘结构

整个塔盘分为1块塔盘通道板（宽度450mm）、2块切角塔盘边板，共3块。

具有结构见塔盘部件图。

3.2.2浮阀

为减少漏液，选用重阀；材料选用0Cr18Ni9；由文献[7,2]可知，浮阀标记为F1Z-4B，其基本参数如表3-1所示。

表3-1F1Z-4B型浮阀

3.2.3受液盘

应为所操作物料黏度小，不易结晶，并且塔径较大。

考虑到凹形受液盘对流体有缓冲作用，可降低塔盘入口处的液封高度，使液流平稳，有利于塔盘入口处更好的鼓泡。

故受液盘形式采用凹形受液盘。