常压蒸馏塔的机械设计全文毕业论文.doc
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第一章材料选择
选择化工容器及设备材料时应遵循以下原则：
1.使用及操作条件（操作压力、操作温度、介质特性及工作特点等）；
2.材料的焊接及冷热加工性能；
3.设备结构及制造工艺；
4.材料的来源及经济合理性;
5.同一工程别设计或设备设计中尽量注意用材同一.
所需钢板厚度小于8mm时，在碳素钢与低合金高强度钢之间，应尽量采用碳素结构钢（多层容器用钢除外）；在刚度和结构设计为主的场合，应尽量选用普通碳素钢。
在强度设计为主的场合,应根据压力,温度介质等使用限制。
依次使用Q235—AF，Q235—A,Q235—B，Q235-C,20R，16MnR等钢板；所需不锈钢板厚度大于12mm时，应尽量采用衬里,复合,堆焊等结构形式；不锈钢应尽量不用作设温度≤500℃的耐热用钢。
根据所给的工艺条件（操作压力0.32Mpa，操作温度300℃）该塔属于低压高温，故所供选择的主要有：
16MnR和Q—235等，由于16MnR的屈服极限较Q—235高30%—40%,而价格只贵10%，所以选用16MnR钢板做为塔体和封头材料。
由于裙座和介质不直接接触末叶不承受容器内的介质压力，因此不受压力容器用材所限，可选用较经理的普通碳素结构钢。
但是，裙座的选材还应考虑到载荷、塔的操作条件，以及塔的封头的材料等因素。
对于在室外操作的塔还得考虑环境温度，因此裙座材料选用Q235—A钢.
塔盘材料选用1Cr18Ni9Ti
第二章筒体与封头的壁厚设计计算
2。
1筒体的设计及计算
2.1．1设计压力的选取
在实际中，设计条件中给出的压力往往都是设备本身的最高工作压力，而在设计计算中都是使用设计压力,故根据所给的最高工作压力确定设计压力.
a.内压容器的设计压力按下表选取
表2-1内压容器设计压力Mpa
最高工作压力
设计压力
1。
0
1.8＜4.0
4。
0＜8。
0
＞8。
0
=
=1.1
=+0。
4
=1。
05
注：
表中最高工作系指容器顶部在正常工作过程中可能产生的最高表压力。
b.当液压容器按外压容器设计,其设计压力为；当容器有安全控制装置时,取1。
25倍的最大内外压力差或0。
1Mpa两者中的最小值,当无安全控制装置时，去0.1Mpa。
对带有夹套的真空容器按上述原则再加夹套的设计压力。
c.当液柱静压力大于最高工作压力的5％时,计算各个截面的壁厚及其元件尺寸的设计压力应加上容器所在截面的液柱压力。
因此设计压力为=0。
30+0.18=0。
48Mpa
2。
1．2设计温度的选取
设计容器时，必须考虑在工作过程中可能遇到的工作温度和对应的工作压力，两者组合中各种苛刻条件的最高（或最低）工作温度,在实际工作中，做给定的设计条件,大多数都是给出容器的最高或最低操作温度以及正常的操作温度，在这种情况下,设计温度的选取基本是按下表进行。
表2-2设计温度℃
介质温度
设计温度
Ⅰ
Ⅱ
〈-20℃
最低介质温度
介质正常操作温度减0～10℃
-20℃—15℃
最低介质温度
介质正常操作温度减15~10℃
15℃
最低介质温度
介质正常操作温度加15~30℃
因此设计温度=+20=320℃
2。
1．3焊缝系数的选用
焊缝系数φ应根据容器受压部分的焊缝位置和无损探伤检验要求大体按如下规定选取
a.双面焊或相当于双面焊的全焊透对接焊缝。
100％无损探伤φ=100
局部无损探伤φ=0.85
b.单面焊的对界焊缝。
沿焊缝根部全长具有紧贴基本金属的垫板.
100％无损探伤φ=0.90
局部无损探伤φ=0。
80
c.无法进行探伤的单面焊环向对接焊缝无垫板.φ=0。
60次系数仅适用与厚度不超过16mm，直接不超过600mm的壳体环向焊缝。
由上所述取0.85
2.1．4厚度附加量
厚度附加量由两部分组成:
钢板或钢管的厚度负偏差；腐蚀裕量，.即
（2—1）
式中：
可按相应的钢板或钢管标准查取。
表2-3为热扎钢板厚度负偏差，钢板厚度小于或等于4mm为薄钢板，而厚度等于或大于4.5mm为厚钢板。
冷拔钢管或其他钢管应查取相应标准。
表2—3 热扎钢板厚度负偏差
钢板厚度
负偏差C1
2.0
0。
18
2.2
0。
19
2.5
0。
20
2.8～3.0
0。
22
3。
2～3.5
0。
25
3。
8～4。
0
0。
3
4.55。
5
0.5
钢板厚度
负偏差C1
6~7
0.6
8～25
0.8
26～30
0。
9
32～34
1。
0
35~40
1.1
42~50
1.2
52～60
1。
3
表2-4热扎无缝钢管厚度负偏差
钢管种类
壁厚
负偏差%
钢管种类
壁厚
负偏差%
碳素钢低合金钢
20
＞20
15
12。
5
不锈钢
10
＞10~20
15
20
注：
A即参考资料[1］。
C2可根据腐蚀速度和容器的使用寿命确定。
我国《钢制压力容器》（GB150）规定:
对去C1，当钢材的厚度负偏差不大于0。
25mm，且不超过名义厚度的6％时，可取C1=0；对于C2，当刚材为碳素钢或低合金钢时,取C2不小于1mm，对于不锈钢,当介质的腐蚀性极微时，C2=0。
介质对材料的服饰速度可查有关的防腐蚀手册，一般容器的设计寿命，除有特殊要求外，塔、反应器等主要容器一般不应少于15年；一般的容器和换热器等不应少于8年。
我国《钢制压力容器》（GB150）规定,厚度附加量不应计入加工制造的减薄量，压力容器元件的加工制造减薄量由制造单位依据各自的加工工艺和加工能力自取,只要求保证产品的实际厚度不小于名义厚度减去钢板厚度减去刚材厚度负偏差。
这样处理可使制造单位根据自身条件调节加工减薄量.从而切实保证产品强度所要求的厚度,更切合容器制造的实际情况。
因此C1取0.8mm，C2取3mmC=C1+C2=3。
8mm
设计压力：
设计温度:
℃+℃℃
筒体内径：
筒体材料：
焊缝系数：
厚度附加量：
查GB150，可得内压圆筒材料16MnR在设计温度℃下的使用压力
（2-2）
设计厚度，圆整后取
检查：
时，没有变化，即许用应力与计算厚度公式中的取值相同，故取内压圆筒的名义厚度合适.
2。
2封头的设计及计算
最常应用的容器封头包括半球形封头，椭圆形封头，碟形封头和无折边球形封头以及圆锥形封头，平板头等。
1、半球形封头这种封头的集合形状实际上是半个球壳，由薄膜应力分析可知,其最大应力仅为同样直径圆筒筒体的一半，是各种封头中受力最好的一种；在相同容积中球形封头的表面积最小，因此最节省材料并广为应用。
从承载能力来看，球形封头可谓最理想的结构形。
但缺点是深度大，当直径较小时,整体冲压成型较为困难。
直径较大时，虽可采用分瓣冲压技术，但拼焊工作量较大.
2、碟形封头由三部分组成：
球面、过渡段、圆筒直边段。
在三部分的近接触造成了经线曲率发生突变，在过渡区边界上的不连续应力比内压薄膜应力大得多，故其受力状况不佳.
3、椭圆形封头椭圆形封头是由半个椭球面和一圆筒直边段组成，其结构设计充分吸取了半球封头受力好和碟形封头深度浅的优点，其应用最为广泛。
由于椭圆形封头几何特征造成经线曲率平滑连续，故封头中的应力分布比较均匀。
4、无折边球形封头这种封头是部分球面封头与圆筒直接连接，其结构造成简单，常作为容器中两独立受压室的中间封头，也可作为端盖使用.由于球面与圆筒连接处的曲率半径发生突变，而且壳体因没有公切线而存在横向推力，所以产生相当大的不连续应力，故这种封头只能用在压力不高的场合。
应指出的是，为了改善这种封头在连续处的受力状况,要求无折边球形封头与筒体连接处的角焊缝应采用全焊透的结构。
而且还要要求与封头连接的圆筒在任何情况下应不小于封头的厚度.否则，应在封头与圆筒间设置一加强过渡连接。
5、锥形封头锥形封头有两种形式：
一无折边锥形封头，一般用于半锥顶角小于等于30°的场合：
二为折边锥形封头，它由三部分组成,即圆锥、过渡圆弧和圆筒直边段.由薄膜应力分析可知.锥形结构的封头强度并不理想，但在生产工艺应用中，锥形封头有利于气体的均匀进出,也有利于悬浮或粘稠液体和固体颗粒等的排放，并常作为不同直径圆筒的过渡，因此也是压力容器最常应用的受压元件之一。
锥形封头与圆筒的连接也应采用全熔透焊缝.
6、平板封头这是各种封头结构最为简单、制造最为容易的一种封头形式。
因其承受横向载荷造成圆平板弯曲,受力状况最差，因此对于同样直径和压力的容器，采用平板封头的厚度最大，材料消耗费最多。
但由于制造最容易，在压力不高的场合仍可得到应用。
至于一些高压容器，制造技术无法解决球形封头时，也屡见应用，特别是直径不大的高压容器常用平板封头。
综上所述，从受力情况分析，半球形最好，椭圆形、碟形其次，锥形更次之，平板最差；从制造角度比较,平板最容易,锥形其次，碟形、椭圆更次之，而半球形最难；就使用而论，平板封头用于常压或个别高压容器。
锥形用于工艺和制造有要求的场合.椭圆形封头用于大多数中低压容器。
无折边球形封头用于低压.而半球形封头则多用于对此形状有特殊要求的场合，随着制造技术水平的提高，半球形封头已逐渐应用于高压容器上。
至于锥形封头一般用在压力不高的设备上.
因此选择标准椭圆形封头。
设计压力：
设计温度：
℃
封头内径：
腐蚀裕量：
封头材料:
焊缝系数：
（椭圆形封头由整块钢板压筒成型）
查表A2—11按=6~16mm，取椭圆形封头材料16MnR在设计温度t=300℃下的许用应力对于标准椭圆形封头K=1，其计算厚度按式确定：
（2—3）
封头设计厚度（,壁厚减薄量取1。
8）
则，按钢板规格向上圆整后,取封头名义厚度。
封头有效厚度：
由于大于封头内直径的0。
15％，故名义厚度=16mm的标准椭圆形封头满足稳定要求。
第三章塔体强度和稳定性校核
3。
1容器质量
3.1．1设塔体与裙座的质量为
（1）筒体质量
（3-1）
（2）封头质量
查《化工容器及设备简明设计手册》内曲面高度为950的标准椭圆形封头质量约为2410kg。
（3）裙座质量裙座壁厚选取与筒体等厚16mm。
（3—2）
筒体与裙座质量
（4）平台扶梯质量
操作平台数6层，包角180°平台宽度b=15选用笼式扶梯
查表A7—1平台质量
扶梯质量
（3-4）
（5）物料质量
塔盘充液质量
物料重量
塔底液面高度取4m
（3-5）
（6）附件质量
各种管线、接管入孔、法兰等附属件质量按经验取
（7）塔充水质量
（3-6）
（8）容器的操作质量
（3-7）
（9）容器的最大质量
（3-8）
（10）小质量
（3-9）
根据GB150规定系考虑空塔吊装时，未装保温层，平台扶梯扣除这部分质量后余，全塔共分七层，群座分二段。
如图3-1，根据分段每段的操作质量列下表3-1
表3-1
段
号
项
目
1
2
3
4
5
6
7
m01
1316
3948
14908
41908
14908
14908
19728
m02
—
—
9524
9824
9824
9824
4913
m03
468
1404
5606。
5
5607
5606
5606
2456
m04
—
15570
1557。
5
1558
1557
1557
1557
m05
—
-
6058
24232
17847
12443
3029
ma
71。
5
3515
3514
3514
3514
3514
3514
mw
-
—
123026
123026
12302
12302
12302
m0
1027
4110
48914
49914
49914
49914
45914
3.1．2塔体内构件质量
查表A7—1浮阀塔盘75kg/m2已知：
浮阀塔盘57层
3。
1。
3塔保温材料质量
已知：
，材料选用水泥珍珠岩
（3-3）
所以
Q封—-封头外保温层重Q封=30kg
3。
2地震载荷和地震弯矩
取地震裂变为8度，Ⅱ类场地上，则查表A7-6的Amax=0.45
1、自周期计算，本塔为等直径，等壁厚的塔，鼓自振周期
（3-10）
式中E—筒体材料16MnR在设计温度下的弹性摸量
—筒体的有效壁厚（名义厚度-壁厚附加量）=15。
2mm
2、地震载荷和地震弯矩
全塔共分七段，将每段的质量集中在各段中心处各段质量的水平地震力列于下表。
计算公式：
（3-11）
其中：
容器高径比＞5，故应考虑高振型的影响
3.3风载荷和风弯矩
塔设备承受的水平风力与一定的风速形成的风压有关。
风压与地区有关,在同一地区,风压又随地面高度而变化，则将全塔共分6段见图3—2
塔体任意段之所承受的水平风力P0按下列式计算:
（3—12）
式中：
—空气动系数，对圆筒形设备取=0。
7；
—风振系数,决定于塔的风振特性，
=
为风压脉动系数，根据表选取；
为动荷系数,
根据设备的自振周期按选取.
—距地面10m高处的基本风压，N/m2;
盘锦地区；
-塔设备i段的高度，mm;
—风压高度变化系数,由表A7-3选取；
;
—塔体各段的外径，mm；
—塔体各段保温层厚度；
-扶梯的当量宽度mm,对于笼式扶梯;
各段风载荷系数见下表3-3：
表3—3
段
号
项
目
1
2
3
4
5
6
700
10000
10000
10000
10000
10000
550
550
550
550
550
550
0.7
0.7
0.7
0。
7
0。
7
0。
7
1。
73
1。
73
1.67
1.65
1。
6
1。
56
0。
9
1.2
1。
4
1。
5
1。
6
1。
7
5332
5332
5332
5332
5332
5332
0。
35
0.35
0.33
0.32
0。
3
0.28
2。
1
2。
1
2.1
2.1
2.1
2。
1
2。
23
4.26
4.79
5.08
5.25
5。
44
风弯矩计算（0-0；1-1；2—2截面）
对于塔体0—0截面
（3-13）
对于塔体任意截面的风弯矩为：
a.塔体风弯矩0—0截面:
=
=
b.裙座人孔处弯矩1—1截面（距地面1000mm）
=
c.裙座与筒体接缝处的风弯矩2—2截面
=
3.4最大弯矩计算
各截面的最大弯矩应同地震弯矩与0.25倍风弯矩之和与风弯矩进行比较
0-0截面：
＜
=
取
1-1截面
＜=
取
2-2截面
＜=
取
由计算得知，最大弯矩由风弯矩控制。
3。
5圆筒轴向应力校核
3.5．1强度计算
根据GB150，塔体任意计算截面2—2处的轴向应力分别按下列三式计算：
a。
由内压引起的轴向应力:
（3-15）
式中：
—设计压力
-筒体内径
—筒体有效壁厚
b.塔设备重力引起的轴向应力：
（3-16）
m0-操作或非操作时的质量kg
c.最大弯矩引起的轴向应力:
3.5．2稳定验算
a.圆筒许用轴向应力确定
取其中较小值（3—18）
—设计压力，温度下筒体材料16MnR的许用应力
B查得B=65Mpa故取
b。
最大组合应力校核
＜
所以以上截面应力校核合格。
3.5．3筒体拉应力校核
根据GB150许用应力按下式校核
＜
从以上计算结果看,筒体强度和稳定均合格
3.6容器液压试验时的应力校核
对2-2截面进行各项应力计算
（1）由试验压力引起的环向应力
（3-19）
式中:
—试验压力
取两者中较大值（3—20）
故取
式中：
—试验温度下材料许用应力。
液柱压力取1。
19
（2）由试验压力引起的轴向应力
（3）由液压试验时重力引起的轴压应力（0—0）截面
式中：
—2—2截面液压试验时的质量
（4）由弯矩引起的轴向应力
（5）应力校核
液压试验时圆筒材料的许用轴向压应力
取其中较小值（3－22）
故取＝
第四章塔盘设计及塔盘板校核
4.1塔盘设计
原始数据:
塔盘57层浮阀塔盘
4。
1．1浮阀塔盘
a.浮阀塔的优越特点：
（1）浮阀塔具有处理能力大，浮阀排列比泡罩更紧凑,塔盘生产能力高。
（2）由于浮阀同在一定范围内自由升降以适应全量的变化,因此能在较宽的流量范围内保持高的效率。
（3）由于气液接触状态良好，且蒸汽以水平方向吹入液层，故雾沫夹带较少塔板效率高。
（4）由于气流通过浮阀时只有一次收缩扩大及转弯，故干板压力降比泡罩塔低。
（5）浮阀形状简单,液面落差小。
（6）由于阀盘大多用不锈钢制造,加之浮阀不停的浮动，所以不易积垢堵塞,故操作周期比泡罩塔长，清理也节省时间。
（7）浮阀结构比较简单，安装容易，且节省材料，故费用较低.
b.浮阀的选择
浮阀大体分两类：
一类是盘状浮阀，一类是条状浮阀。
盘状浮阀是在塔板上开有圆孔，浮阀分别用三条支腿（型）或用十字架（十字架型），安装在塔盘孔上。
条状浮阀是节支腿的长条片，塔板上开长条孔，空过环形缝隙，以水平方向吹入液层,形成泡沫。
浮阀能够随着气速的增减在相当宽广的气速范围内自由调节，升降,以保持稳定操作.
故选用条状浮阀，阀片厚度为
阀片重量，材质1Cr18Ni9Ti
塔盘板厚度，材质1Cr18Ni9Ti
c.塔径与塔盘间距
由工艺条件，该塔内径,塔盘间距为，人孔塔盘间距。
4.1．2塔盘的结构设计
（1）塔盘结构有整块式和分块式两种。
一般塔径在以下时,为了便于安装和检修建议采用整块式塔盘；当塔径在以上时，人可以在塔内进行装拆，可采用分块式塔盘。
对于大塔径的塔盘，采用分块式塔盘也具有刚性好,便于制造，装拆方便等优点。
（2）整块式塔盘分为定距管式和重叠式两类。
采用整块式塔盘的塔体是由若干塔节组成。
每个塔节中安装若干层塔盘，塔节之间采用法兰连接。
a.定距管式塔盘是用拉杆和定距管将塔盘紧固在塔节内的支座上，定距管起着支承塔盘和保持塔板间距的作用。
塔盘与塔壁间的缝隙,以软填料密封后用压板及压圈压紧。
塔节的长度取决于塔径。
当塔径为时，只能伸入手臂安装，塔节长度以为宜；塔径为时,人可以勉强进入塔内安装,塔节长度一般，不宜超过,塔径大于时，由于受拉杆长度的限制，并避免发生安装困难，每个塔节安装的塔盘数一盘数，一般不超过。
b.重叠式塔盘在每一塔节下面焊有一支承，底层塔盘安装在塔内壁的支座上，然后依次装入上一层塔盘，塔盘间距有焊在塔盘下的支柱保证，并用调节螺钉调整水平.塔盘与塔壁的间隙,以软质填料密封后用压板及压圈压紧。
c。
整块式塔盘的结构及尺寸结构有两种，一种是角焊结构,一种是翻边结构.角焊结构是将塔盘圈焊在塔盘板上。
这种塔盘制造方便，但要采用措施，以减少因焊接变形而引起塔板的不平。
翻边结构是塔圈直接由塔板翻边而成，因此，可避免焊接变形。
当直边较短或制造条件许可时，可以整体冲压；否则可以另加一截塔盘圈与塔盘翻边对接。
塔盘圈的高度不得低于溢流堰高。
（3）分块式塔盘
当塔径较大时，为了便于塔盘的安装、检修、清洗，而将塔盘分成数块通过人孔送入塔内，装到焊在塔体内壁的塔盘固定件（一般为支持圈）上，这种结构型式称为分块式塔盘.此时塔体不需要分成塔节，而是焊接成没有圆孔的整体圆筒。
结构型式有自身梁式，精式和平板式.自身梁式塔盘和精式塔盘，塔盘上带有通过模具冲压而成的折边，折边对塔盘是有支承作用，使塔盘具有足够的刚度,并使塔盘结构简化，耗用钢材少。
平板式塔盘，制造方便，无需模具，但在塔内要设置平板结构的支承梁，紧固件，装拆见多。
在以上三种结构型式中，以自身梁式塔盘应有最为广泛。
对于直径较小的塔（）通常采用焊在塔壁上的支持圈来支承塔盘，支持圈可用扁钢或钢板制成,有时亦可才用角钢制造。
塔径较小,塔板的跨度亦较小，则塔盘板本身刚度足够，仅用支持圈支承便可以满足要求。
对于大直径（）的塔，为了避免用于塔板的跨度过大引起的刚度不足，使塔盘的挠度超过规定的范围。
在采用支持圈支持塔盘的同时还采用支承梁结构，这样可以缩短分块式塔盘的跨度以满足刚度要求。
跨度小的分块塔盘的一端值支在支持圈上（或支持板上），另一端支在支承梁上。
（4）塔盘溢流装置
液体在塔盘上的流动情况，将直接关系到塔盘的分离效率。
塔盘溢流装置主要有降液管、受液盘、溢流堰,进口堰等部件组成。
a。
液流型式
溢流型塔盘,液体流动必须克服板上气流接触元件所引起的阻力,形成液面落差.于是气体较多地从塔盘上的低液位处通过，影响气流均匀分布,从而使效率降低液流在塔盘上均匀分布是很重要的,特别是当液量很小或塔径很大时,影响尤其显著.塔盘上液流行程常有利于气液两相的接触,但会引起液面落差大和造成液流短路，影响板效率；然而喷射型塔盘利用气相动能推动液流向前，液面落差小。
因此,应根据气液流量及塔盘特点正确设计选择液流型式。
常用的液流型式有：
单流型，液体从受液盘溢出，横向流过整个塔盘，进入降液管。
单流型结构简单，液流行程长，有利于提高分离效率，但塔径及流量过大时，易造成气液分布不均.双流型，塔盘上的液流分成两部分，各反向流过半个塔盘，借此降低液面落差。
它的结构复杂。
其它流型。
当液量很大且双流型不能满足要求时,可采用阶梯流型。
阶梯流型是将塔盘板面是阶梯状,分段设置中间堰，借以缩短每段液流的长度，降低液面落差.阶梯流型塔盘的缺点是结构复杂。
b.降液管
分块式塔盘的降液管其作用主要是为了使上一层塔盘液体顺利流入下一层塔盘，并尽量使其带气泡的液流进入降液管后,将气泡分离出来,从而仅有清液流往下一层塔盘。
分块式
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