精馏塔的设计详解

甲苯—苯精馏塔的设计机械设计部分第1页（共20页）目录一.前言……………………………………………………………………………3二.塔设备任务书……………………………………………………………4三.塔设备已知条件…………………………………………………………5四.塔设备设计计算…………………………………………………………61、选择塔体和裙座的材料………………………………………………62、塔体和封头壁厚的计算……………………………………………63、设备质量载荷计算………………………………………………………74、风载荷与风弯距计算……………………………………………………95、地震载荷与地震弯距计算…………………………………………126、偏心载荷与偏心弯距计算……………………………………………137、最大弯距计算………………………………………………………148、塔体危险截面强度和稳定性校核……………………………………149、裙座强度和稳定性校核……………………………………………1610、塔设备压力试验时的应力校核……………………………………1811、基础环设计…………………………………………………………1812、地脚螺栓设计…………………………………………………………19五.塔设备结构设计……………………………………………………20六.参考文献………………………………………………………………21七.结束语…………………………………………………………………21甲苯—苯精馏塔的设计机械设计部分第2页（共20页）前言苯(C6H6)在常温下为一种无色、有甜味的透明液体，并具有强烈的芳香气味。苯可燃，有毒，也是一种致癌物质。它难溶于水，易溶于有机溶剂，本身也可作为有机溶剂。苯具有的环系叫苯环，是最简单的芳环。苯分子去掉一个氢以后的结构叫苯基，用Ph表示。因此苯也可表示为PhH。苯是一种石油化工基本原料。苯的产量和生产的技术水平是一个国家石油化工发展水平的标志之一。甲苯是有机化合物，属芳香烃，分子式为C6H5CH3。在常温下呈液体状，无色、易燃。它的沸点为110．8℃，凝固点为－95℃，密度为0．866克／厘米3。甲苯不溶于水，但溶于乙醇和苯的溶剂中。甲苯容易发生氯化，生成苯—氯甲烷或苯三氯甲烷，它们都是工业上很好的溶剂；它还容易硝化，生成对硝基甲苯或邻硝基甲苯，它们都是染料的原料；它还容易磺化，生成邻甲苯磺酸或对甲苯磺酸，它们是做染料或制糖精的原料。甲苯的蒸汽与空气混合形成爆炸性物质，因此它可以制造梯思梯炸药。甲苯与苯的性质很相似，是工业上应用很广的原料。但其蒸汽有毒，可以通过呼吸道对人体造成危害，使用和生产时要防止它进入呼吸器官。苯和甲苯都是重要的基本有机化工原料。工业上常用精馏方法将他们分离。精馏是分离液体混合物最早实现工业化的典型单元操作，广泛应用于化工，石油，医药，冶金及环境保护等领域。它是通过加热造成汽液两相体系，利用混合物中各组分挥发度的差别实现组分的分离与提纯的目的。实现精馏操作的主要设备是精馏塔。精馏塔主要有板式塔和填料塔。板式塔的核心部件为塔板，其功能是使气液两相保持密切而又充分的接触。塔板的结构主要由气体通道、溢流堰和降液管。本设计主要是对板式塔的设计。甲苯—苯精馏塔的设计机械设计部分第3页（共20页）一．塔设备任务书简图与说明比例设计参数与要求工作压力MPa0.004腐蚀速率mm/a0.01设计压力MPa0.0044设计寿命a20工作温度ºC120浮阀个数设计温度ºC150浮阀间距介质名称苯、甲苯保温材料厚度/mm100介质密度kg/m3799.054保温材料密度kg/m3300基本风压Pa300存留介质高度mm52.5/49地震烈度9壳体材料Q235-A场地类别Ⅱ内件材料塔形筛板塔裙座材料Q235-A塔板数目21偏心质量kg2000塔板间距mm500偏心距mm1000接管表符号公称尺寸连接面形式用途符号公称尺寸连接面形式用途a1,2450mm－人孔g45mm突面回流口b1,2－突面温度计h1-325mm突面取样口c－突面进气口i1,2－突面液面计d1,238mm突面加料口j38mm突面出料口e1,2－突面压力计k1-3450mm突面人孔f127mm突面排气口条件内容修改修改标记修改内容签字日期塔径（原设计算错）备注甲苯-苯精馏塔设计单位名称化工系2班刘丽娟工程名称提出人刘丽娟日期08.7.25甲苯—苯精馏塔的设计机械设计部分第4页（共20页）三.塔设备已知条件塔体内径mmDi/1200场土地类别Ⅱ塔体高度mmH/10550偏心品质kgme/2000设计压力MPap/0.0044偏心距mme/1000设计温度t/ºC150塔保温层厚度mms/100塔体材料Q-235A保温材料密度32//mkg300许用应力MPa/][113裙座材料Q-235BMPat/][113许用应力MPats/][113设计温度下弹性模量MPaE/2×10-5常温屈服点MPas/235常温屈服点MPas/235设计温度下弹性模量MPaEs/2×10-5厚度附加量mmC/2厚度附加量mmCs/2塔体焊接头系数0.85人孔、平台数5介质密度3//mkg1000地脚螺线材料Q-235A塔盘数N48许用应力MPabt/][147每块塔盘存留介质层高度mmhw/50腐蚀裕量mmC/23基本分压值Paqo/300个数n4地震设防烈度9表二：已知条件列表甲苯—苯精馏塔的设计机械设计部分第5页（共20页）四．塔设备设计计算1、选择塔体和裙座的材料设计压力是指设定的容器顶部的最高压力，由“工艺部分”的工艺条件可知塔顶表压为＝'p4kPa；通常情况下将容器在正常操作情况下容器顶部可能出现的最高工作压力称为容器的最大工作压力用wp表示，即wp＝＝'p0.004MPa；取设计压力wpp1.10.0044MPa。设计温度是指容器在正常操作情况下，在相应设计压力下，设定的受压组件的金属温度，其值不得低于容器工作是器壁金属达到的最高温度。本设计塔内最高温度塔底取得max120tºC，设计温度可以取为150tºC。从上可知，设计压力和设计温度都属于低压、低温状态，塔体和裙座的材料可用：Q235-A，GB912，热轧，厚度为3~4mm，常温下强度指标b375MPa、s235MPa，设计温度下的许用应力t][113MPa。2、塔体和封头壁厚的计算2.1塔体壁厚的计算塔体的壁厚是值塔体计算出来的有效厚度，有效厚度可以用下式计算21CCne（式中为理论计算厚度，mm；为除去负偏差以后的圆整值，mm；n为名义厚度，mm；1C为钢板厚度负偏差，mm；2C为腐蚀裕量，mm。）2.1.1理论计算厚度ppDti][2，其中iD指塔体的内径，由工艺部分计算可知iD=1.2m；为焊接头系数，本设计采用双面焊、局部无损探伤，=0.85。ppDti][2=0044.085.0113212000044.00.03mm对于碳素钢和低合金钢制容器，mm3min，而min，且mm97.2min1C（钢板厚度按8~25mm计）。假设腐蚀裕量2C=2mm。n=min+2C=5mm甲苯—苯精馏塔的设计机械设计部分第6页（共20页）21CCne=5－0.5－2=2.5mm2.2封头壁厚的确定根据塔径iD=1200mm，取用标准椭圆形封头，可选用EHA的标准椭圆形封头（JB/T4746-2002），公称直径DN=1200mm，曲面高度300mm，直边高度25mm，内表面积1.665m2，容积0.255m3，厚度6mm，质量49kg。3、设备质量载荷计算塔设备的操作质量kgmo/：eammmmmmmm05040302010塔设备的最大质量kgm/max：eawmmmmmmmm04030201max塔设备的最小质量kgm/min：eammmmmmm04030201min2.03.1塔体质量1om单位长度筒体的质量：]1200)101200[(1085.7785.0])2[(4226221inimDDsm=148.5kg/m由工艺部分计算可知塔高H=10.55m，取裙座高度h=1.55m；筒体质量：1110.55148.5mmHm=1566.7kg裙座质量：311.5148.5mmhm222.75kg由前面可知一个封头质量G=77kg，则有封头质量：2m77×2=98kg1om=1231566.7222.7598mmm1887.5kg3.2塔段内件质量2om查数据可知筛板塔质量2/65mkgqN；由工艺部分计算可知塔盘数为N=21块2220.785211.2654oiNmNDq1542kg甲苯—苯精馏塔的设计机械设计部分第7页（共20页）3.3保温层质量3om保温材料密度为2300kg/m3，厚度为s100mm筒体部分保温层的质量：222])2()22[(4HDDsisni=220.785[1.411.4]10.5530069.8kg封头部分保温层的质量：直边部分＋曲面部分直边部分：kg166.0300025.0]4.141.1[785.022曲面部分近似计算为：内表面积×厚度×密度1.665×0.1×300=50kg封头部分质量＝2×（0.166+50）=100.23kg所以，3om=69.8+100.23=170kg3.4平台、扶梯质量4om本设计用5个钢制平台，笼式扶梯，查资料可知刚直平台和笼式扶梯的单位质量分别为：2/150mkgqp，2/40mkgqF。4om=FFpniniHqnqDBD21])22()222[(422=220.785[3.221.42]0.5415040(9.451.55)=2632.4kg3.5操作时塔内物料质量5om由工艺部分计算可知精馏段塔盘数为9，mhw0633.0，mho0083.0，31/04.826mkgL；提馏段塔盘数为12，mhw06.0'，mho0086.0'，32/18.931mkgL5om=)(])''()[(42122112LLfLowLowiVhNhhNhD=0.785×21.2[(0.063390.0083)826.04(0.06120.0086)931.18]0.255(826.04931.18)=1754.7kg.甲苯—苯精馏塔的设计机械设计部分第8页（共20页）3.6附件质量am按经验取附件质量am=0.251om=0.25×1887.5=471.9kg3.7充液质量wmwm=2220.7851.210.55100020.25510004iwfwDHV12435.7kg3.8偏心质量em当塔设备的外侧挂有分离器、再沸器、冷凝器等附属设备时，可将其视为偏心载荷。本设计中将再沸器挂于塔上，所以再沸器构成塔的偏心质量，再沸器质量为2000kg，偏心距为1000mm。所以em=2000kg。3.9操作质量、最小质量、最大质量eammmmmmmm05040302010=1887.5+1542+170+2632.4+1754.7+471.9+2000=10458.5kgeammmmmmm04030201min2.0=1887.5+0.2×1542+170+2632.4+471.9+2000=7470.2kgeawmmmmmmmm04030201max=1887.5+1542+170+2632.4+12435.7+471.9+2000=21139.5kg4、风载荷和风弯距的计算塔设备受风压作用时，塔体会发生弯曲变形。吃到塔设备迎风面上的风压值，随设备高度的增加而增加。为了计算简便，将风压值按塔设备的高