1、 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目 录目录摘 要IVAbstractV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-
2、 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.
3、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
4、 -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
5、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
6、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AbstractThe tower equipment is an important unit operation equipment in the chemical industry,oil refining,pharmaceutical,foodandenvironmental protectionand ot
7、her industrial sectors.It is widely used in distillation,absorption,extraction,gas lift,gas washing,humidification cooling and other unit operations.And in this,the float valve became one of todays most widely used tower type due to its excellent performance.The design mainly based on the “Chemical
8、Equipment Design Manual”, NB47041-2014“Tower Container”,GB150-2011“Pressure Vessel” and “Tower Equipment,considering the design conditions to design and calculate several aspects,including the overall structure of the tower,the structure of tray,he structure of accessory,load analysis,strength check
9、 and so on;and draw assembly and parts drawings.Keyword:Floating valve tower;design;checkV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
10、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
11、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
12、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1,1314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1.21.5m。此次设计中，塔顶空间取值为。2.2.1
13、.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12m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
14、0.02Mpa。由于0.02Mpa 12%时采用倾斜式降液板，本设计中面积比为9.8%12%，所以采用凹形受液盘，但仍采用垂直式式降液板。与塔体连接形式采用分块式连接结构：取降液板总高度，因，为便于通过人孔，采用分块式连接结构。降液板厚度取与塔盘板等厚，。3.2.6 入口堰受液盘采用凹形受液盘，降液板高度比较大，为避免入口堰与见夜班间隙过小导致液流速度过大，不设入口堰。3.2.7 出口堰（1） 椭圆形封头壁厚出口堰形式 出口堰形式采用可调（高度）式平堰。（2） 出口堰板结构尺寸取出口堰高度，厚度与塔盘板等厚，；出口堰板高度；出口堰板长度与降液板等长。3.2.8 液封盘（1）液封盘结构形式液封盘
15、结构形式采用可拆连接结构。（2）受液盘结构尺寸受液盘厚度同样取4mm，据前所述，液封盘上开设两个的排液孔。3.3 塔盘的校核3.3.1塔盘载荷计算 塔盘边板面积，通道板面积,塔盘板面积根据SH/T 3088-2012石油化工塔盘技术规范表5.4.1进行计算1000均布载荷等于溢流堰高+50的水静压 水柱高塔盘上液层引起的集中载荷等于二倍溢流堰高的液相介质静压 液相高度塔盘板上100液相介质静压所以，取最大值1000塔盘板质量载荷（均布载荷）塔盘板的质量：浮阀的质量：卡子的质量：螺栓的质量：所以，安装和检修是，在塔盘中心半径为r的小圆面积内作用1150的载荷3.3.2塔盘边板强度校核塔盘板的俯视
16、图如下图（3-1）所示： 图3-1 塔盘边板截面视图如下（3-2）所示： 图3-2 塔盘边板将此塔盘板作为一个形状如截面，跨度为的简支梁计算，校核操作条件下的应力与挠度，以及安装检修的应力。梁的截面由I、II和III三个矩形断面组合而成。（1）确定截面的中性轴位置图形面积形心至轴距离静矩 I 932 62II 156 58III 240 30总和利用表中计算结果，求出截面的中性轴距轴距离（2）截面对轴的组合惯性矩，列表如下图形形心至轴距离面积各截面对于与轴平行的自身中性轴的惯性矩I93236406.25II156789.75III240159125总和由惯性矩平行轴原理求得组合惯性矩 （3-4
17、）(3)在操作条件下，塔盘板承受的均布载荷和塔盘板自重塔盘板承受载荷：载荷集度： （3-5）塔盘板中心处承受最大弯矩，产生最大应力和最大挠度 （2-6）（3-7）（3-8）校核合格(4)检修条件下，塔盘板在任一点承受1150的集中载荷，塔盘板的受载如下图（3-3）所示图（3-3）塔盘载荷集中载荷：均布载荷：载荷集度：集中载荷在处产生最大弯矩： （3-9）塔盘板自重在处产生最大的弯矩： （3-10）则最大弯矩为： （3-11）校核合格3.3.3通道板的强度校核校核前将通道板简化为简支梁查规范SHT 3088-2012有如下表1.40.07700.45180.78901.50.04830.4872
18、0.8320由插入法可知塔盘开孔示意如下图（3-4）：图3-4 塔盘开孔图，塔盘板开孔削弱系数 （3-13）操作工况下，通道板承受均布载荷弯曲应力为： （3-14）挠度： （3-15）校核合格3.4总结 本章对塔盘的型式与结构进行了设计，并对塔盘零部件进行了设计计算，最后对塔盘的载荷进行了分析并进行了校核，并且校核安全。第四章 塔设备的强度设计与稳定校核 本章先是对塔体的各种载荷进行分析计算，然后对筒体、裙座及其连接结构进行强度与稳定校核，对裙座各零部件进行强度计算，主要参考的文献有NB/T47041-2014塔式容器、化工设备设计手册、GB150-2011压力容器等。4.1塔体载荷分析 本节
19、主要是对塔体所受的载荷和弯矩进行分析计算，包括质量载荷、风载荷、地震载荷、偏心距、最大弯矩等，主要参考了NB/T47041-2014塔式容器、化工设备设计手册等文献。4.1.1质量载荷 相关符号解释如下：-塔体、裙座质量-塔内件质量-保温材料质量-操作平台及扶梯质量-操作时物料质量-塔附件质量-水压试验充水质量-偏心质量4.1.1.1封头、塔、体裙座质量查JB/T 47462002，每个封头质量为72.1。塔体、裙座的质量为： （4-1）4.1.1.2塔内构件质量浮阀塔盘单位面积质量为75，总塔盘数为23，塔内件质量为：4.1.1.3保温材料质量封头保温层体积 （4-2）单个封头保温层质量 。
20、保温层总质量 （4-3）4.1.1.4平台、扶梯质量在塔体的人孔处安装操作平台，共4层，平台宽，包角180，平台与保温层间隙，扶梯总高度，距地面2以上设计为笼式扶梯，2以下为开始扶梯，平台重 （4-4）4.1.1.5操作时塔式容器内介质质量出口堰高，塔板上液层高度，塔盘持液高度。查国标JB/T 47462002钢制压力容器用封头,，标准椭圆封头 （4-5）4.1.1.6人孔、接管、法兰等附属件质量4.1.1.7偏心质量取偏心质量，偏心距4.1.1.8水压试验时充水质量（4-6）4.1.1.9各种工况下的质量载荷 塔在正常操作时的质量（4-7）塔在水压试验时的最大质量（4-8）塔在停工检修时的最
21、小质量 （4-9）4.1.2风载荷和风弯矩 本条是对塔体所受风载荷和风弯矩的分析计算。4.1.2.1塔高分段沿塔高将塔分为5段，从塔底部起，第1段为00.9,第2段为0.92，第3段为27，第4段为712，第5段为12以上部分。各段数据如下表：表4-2 塔高分段数据（kg）质量12345367.09448.672039.412039.412100.5900294.52589.04471.24029350.6350.6372.591822967.93967.93 1703.860111.31435.3534.1427.30130.93927.03927.03979.400001000385.09
22、610.975087.764481.085075.58385.09630.577579.467893.989627.68385.09499.673416.8443475.7845271.286塔段长度9001100500050005150塔段中心距地面距离45014504500950014575人孔/平台数00112塔板数0051064.1.2.2塔的自振周期查标准GB.150.2-2011固定式压力容器表B-13,在设计温度（120）下，Q345的弹性模量，由JB 4710-2005钢制塔式容器公式有 (4-10)4.1.2.3水平风力计算塔第i段所受的水平风力（4-11）（1） 基本风压（2） 高度变化系数查表得各段高度变化系数如下： 因设备安装在城市郊区，故地面粗糙度类别为B类。各段距地面高度（顶端），查风压高度变化系数表，由内插法可得：，（3） 体型系数对西昌的圆柱形塔体结构，体型系数（4） 风振系数对塔高的塔设备，取（5） 塔设备迎风面的有效直径笼式扶梯与塔顶管线布置成180，则 （4-12）塔设备段等径 各段保温层的厚度 塔顶管线外径 管线保温层的厚度 笼式扶梯的当量宽度 操作平台的当量宽度
