0004-Φ800甲醇精餾塔設(shè)計(jì)（CAD圖+論文+翻譯）
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本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告
設(shè)計(jì)（論文）題目
甲醇精餾塔設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)（論文）題目來源
自選
設(shè)計(jì)（論文）題目類型
工程設(shè)計(jì)
起止時(shí)間
2011/1/6—2011/05/31
一、設(shè)計(jì)（論文）依據(jù)及研究意義：
? 在甲醇合成時(shí)，因合成條件如壓力、溫度、合成氣組成及催化劑性能等因素的影響，在產(chǎn)生甲醇反應(yīng)的同時(shí)，還伴隨著一系列副反應(yīng)。所得產(chǎn)品除甲醇外，還有水、醚、醛、酮、酯、烷烴、有機(jī)酸、有機(jī)胺、高級(jí)醇、硫醇、甲基硫醇和羰基鐵等幾十種有機(jī)雜物。
; p$ i# x; Z$ x2 ?! d??m 甲醇作為有機(jī)化工的基礎(chǔ)原料，用它加工的產(chǎn)品種類很多，因此對(duì)甲醇的純度均有一定的要求。粗甲醇通過精餾，可根據(jù)不同要求，制得不同純度的精甲醇，使各類雜物降至規(guī)定指標(biāo)以下，從而確保精甲醇的質(zhì)量。* q)
二、 設(shè)計(jì)（論文）主要研究的內(nèi)容、預(yù)期目標(biāo)（技術(shù)方案，路線）：
本次設(shè)計(jì)的甲醇精餾塔，設(shè)計(jì)包括的主要內(nèi)容：熱量衡算、物料衡算、塔設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)（塔內(nèi)徑、塔高、封頭、填料、進(jìn)出口接管及裙座等）等。并對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算及校核，繪制圖紙等。
技術(shù)方案及路線：首先進(jìn)行熱量衡算和物料衡算，然后進(jìn)行塔設(shè)備的尺寸計(jì)算，最后進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和校核。
三、設(shè)計(jì)（論文）的研究重點(diǎn)及難點(diǎn)：
重點(diǎn)是：
物料衡算、熱量衡算和塔設(shè)備的尺寸計(jì)算和確定以及強(qiáng)度計(jì)算和校核。
難點(diǎn)是：
一、其難點(diǎn)為塔內(nèi)的物料及熱量衡算，并對(duì)其進(jìn)行比較準(zhǔn)確的計(jì)算。
二、由于本次設(shè)計(jì)的塔是滿足常壓下大能力的生產(chǎn)，其難點(diǎn)是對(duì)塔高、塔內(nèi)徑以及壁厚等進(jìn)行比較優(yōu)化的設(shè)計(jì)。
三、由于本次設(shè)計(jì)的塔為高壓塔而且考慮了各種載荷，其難點(diǎn)是對(duì)塔體以及一些塔內(nèi)件的強(qiáng)度計(jì)算及校核。
四、設(shè)計(jì)（論文）研究方法及步驟（進(jìn)度安排）：
1月6日至1月24日：了解我們所要設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置，為進(jìn)行設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備；
1月25日至2月26日：查閱資料，找設(shè)計(jì)依據(jù)，理出設(shè)計(jì)思路；
2月 27 日至3月31日：算數(shù)據(jù)，求得設(shè)計(jì)的各種依據(jù)；
4月1日至5月15日：設(shè)計(jì)，畫出設(shè)計(jì)圖紙；
5月16日至5月28日；整理圖紙，進(jìn)行打印。寫出設(shè)計(jì)說明書并校核。
5月29日至5月31日：準(zhǔn)備答辯。
五、進(jìn)行設(shè)計(jì)（論文）所需條件：
1、需要查閱《化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書（塔設(shè)備）》、《化工原理》、《化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》、 GB150-1998《鋼制壓力容器》等化工設(shè)備相關(guān)書籍。
2、設(shè)計(jì)所需設(shè)計(jì)方法、軟件、工具等。
3、畫手工圖時(shí)需要場(chǎng)地和工具。
4、指導(dǎo)老師的細(xì)心指導(dǎo)。
六、指導(dǎo)教師意見：
簽名： 年 月 日
機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)
甲醇精餾塔設(shè)計(jì)
摘要：填料塔為連續(xù)接觸的氣液傳質(zhì)設(shè)備，與板式塔相比，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且具有生產(chǎn)能力大，分離填料材質(zhì)的選擇，可處理腐蝕性的材料，尤其對(duì)于壓強(qiáng)降較低的真空精餾操作，填料塔更顯示出優(yōu)越性。本文以甲醇-水的混合液為研究對(duì)象，因甲醇-水系統(tǒng)在常壓下相對(duì)揮發(fā)度相差較大，較易分離，所以設(shè)計(jì)采用常壓精餾。根據(jù)物料性質(zhì)，操作條件等因素選擇填料塔，此設(shè)計(jì)采用高位泡點(diǎn)進(jìn)料、塔底再沸器和塔頂冷凝器的重力回流方式，將甲醇-水進(jìn)行分離的填料精餾塔。本設(shè)計(jì)中已知了塔徑和塔高，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算填料層高度，而且可根據(jù)塔徑可以對(duì)填料支撐，液體分布，裙座等塔的構(gòu)建進(jìn)行選型。根據(jù)已知的條件結(jié)合書上的計(jì)算公式和參數(shù)，對(duì)塔設(shè)備進(jìn)行強(qiáng)度的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)塔設(shè)備的尺寸，并對(duì)設(shè)計(jì)的塔設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行穩(wěn)定校核，以確保設(shè)計(jì)能滿足各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，從而得到分離甲醇-水混合物液的填料精餾塔。
關(guān)鍵字：填料塔；優(yōu)越性；常壓精餾；塔構(gòu)建選型；強(qiáng)度設(shè)計(jì)；穩(wěn)定校核
Methyl alcohol rectifying tower design
Abstract: The Packed tower is continuous contact with the gas-liquid mass transfer equipment, compared with tray column, The Packed tower not only has a simple structure, but also has higher capacity to product, The Packed tower can choose the separation of packing materials and handle corrosive materials, especially for operation of low pressure drop vacuum distillation, and the packed column shows superiority. In this paper, methanol–water mixture as the object of study. Because methanol - water system has a wide relative volatility at atmospheric, so the design adopt atmospheric pressure distillation. According to the material properties, operating conditions and other factors, we select packed tower. This design uses a high bubble point feed, bottom and top of the tower reboiller gravity reflux condenser, methanol - water distillation column packing to separate.
The design of known diameter and tower height of the tower can be calculated based on experience packing layer height and diameter can be packed under the support tower, liquid distribution, the construction of the skirt so the selection of the tower. According to the book with known conditions and parameters of the formula, the strength of the tower equipment design, the size of tower equipment design, and design of the tower equipment calibration and stability data to ensure that the design can meet the standards, the get packed distillation column of separating methanol and water.
Keywords: packed tower; superiority; atmospheric distillation; tower building selection; strength design; stability check.
目 錄
引言…………………………………………………………………1
1 已知設(shè)計(jì)參數(shù)…………………………………………………… 4
2 設(shè)計(jì)方案的確定………………………………………………… 4
3 塔設(shè)備的選型…………………………………………………… 4
3.1 塔型………………………………………………………… 4
3.2 填料的選擇……………………………………………… 4
3.3 填料層的高度計(jì)算及分段………………………………… 5
4 填料塔內(nèi)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)……………………………………… 5
4.1 填料支承裝置………………………………………………… 5
4.2 填料的壓緊及限位裝置……………………………………… 6
4.3 填料塔液體分布器…………………………………………… 7
4.4 液體收集再分布器…………………………………………… 8
5 塔設(shè)備的附件…………………………………………………… 9
5.1 除沫器………………………………………………………… 9
5.2 裙座…………………………………………………………… 9
5.3 地腳螺栓座…………………………………………………… 10
5.4 排氣管和排氣孔……………………………………………… 11
5.5 塔底接管引出孔……………………………………………… 11
5.6 檢查孔………………………………………………………… 12
5.7 塔內(nèi)和裙座內(nèi)爬梯…………………………………………… 12
5.8 地腳螺栓……………………………………………………… 12
5.9 地腳螺栓模板………………………………………………… 13
5.10 塔頂?shù)踔?………………………………………………………13
5.11 塔釡隔板……………………………………………………… 13
5.12 接管…………………………………………………………… 13
5.13 管口擋板……………………………………………………… 14
5.14 人孔和手孔 ……………………………………………………14
5.15 塔的保溫支撐件 ………………………………………………14
5.16 操作平臺(tái)和梯子 ………………………………………………14
6 設(shè)備的強(qiáng)度設(shè)計(jì)和穩(wěn)定校核 ……………………………………15
6.1 筒體和封頭尺寸計(jì)算……………………………………………15
6.2 載荷分析 ……………………………………………………… 17
6.3 自振周期計(jì)算 ………………………………………………… 20
6.4 風(fēng)載荷和風(fēng)彎矩計(jì)算 ………………………………………… 21
6.5 地震載荷和地震彎矩計(jì)算 …………………………………… 24
6.6 偏心載荷與偏心彎矩計(jì)算 …………………………………… 26
6.7 最大彎矩 ……………………………………………………… 26
6.8 強(qiáng)度校核 ……………………………………………………… 26
參考文獻(xiàn) ……………………………………………………………… 36
附錄
英文原文……………………………………………………………………38
譯文…………………………………………………………………………52
謝辭 ………………………………………………………………………62
iv
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書
學(xué) 院： 機(jī)械工程學(xué)院
題 目： Φ800甲醇精餾塔設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)（論文）內(nèi)容及要求：
一、 已知設(shè)計(jì)參數(shù)：
操作壓力 常壓
操作溫度 120℃
入塔物料 甲醇
塔高 14.96米， 塔徑 0.8米
環(huán)境 衡陽(yáng)室外
二、設(shè)計(jì)內(nèi)容及設(shè)計(jì)工作量要求：
（1）按所給設(shè)計(jì)參數(shù)完成甲醇精餾塔的施工圖設(shè)計(jì)；
（2）繪制設(shè)計(jì)圖紙總計(jì)3張零號(hào)以上，其中要求手工繪圖1張壹號(hào)以上；
（3）設(shè)計(jì)說明書字?jǐn)?shù)不少于1.5萬(wàn)字，并要求統(tǒng)一用A4紙打??；
（4）翻譯3千左右漢字量的與畢業(yè)設(shè)計(jì)有關(guān)的英文資料；
（5）撰寫相當(dāng)于3百漢字的英文摘要。
三、主要參考資料：
《化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書（塔設(shè)備）》
《化工原理》
《化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》
GB150-1998《鋼制壓力容器》
指導(dǎo)教師： 年 月 日
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
題 目 Φ800甲醇精餾塔設(shè)計(jì)
學(xué)院名稱 機(jī)械工程學(xué)院
機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
題 目 Φ800甲醇精餾塔設(shè)計(jì)
學(xué)院名稱 機(jī)械工程學(xué)院
引 言
甲醇（Methanol，Methyl alcohol）又名木醇，木酒精，甲基氫氧化物，是一種最簡(jiǎn)單的飽和醇。
甲醇在生活中越來越受到重視，它即可用做有機(jī)化工原料，又可用于有機(jī)合成、農(nóng)藥、醫(yī)藥、涂料、染料和國(guó)防工業(yè)等領(lǐng)域。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，能源、環(huán)境問題日益突出，甲醇作為燃料應(yīng)用的比例越來越大。近20年來，甲醇生產(chǎn)發(fā)展很快，技術(shù)不斷提高，生產(chǎn)規(guī)模逐年擴(kuò)大，生產(chǎn)工藝逐步成熟，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)不斷完善，特別是近年來甲醇汽、柴油的開發(fā)和應(yīng)用，使其作為代用燃料，從技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性上具有了很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。預(yù)計(jì)到2015年達(dá)到7200wt／a，供應(yīng)能力大于市場(chǎng)需求，競(jìng)爭(zhēng)將會(huì)加劇，一些不具競(jìng)爭(zhēng)力的小裝置或原料價(jià)格較高地區(qū)的甲醇裝置將關(guān)閉。根據(jù)未來甲醇裝置建設(shè)趨勢(shì)，世界甲醇的生產(chǎn)中心正在向南美、沙特、伊朗和我國(guó)轉(zhuǎn)移；同時(shí)這些國(guó)家和地區(qū)甲醇產(chǎn)品的目標(biāo)市場(chǎng)主要是針對(duì)亞太地區(qū)和我國(guó)。
合成甲醇可采用石腦油、減壓渣油、煤和天然氣為原料，在天然氣豐富的地區(qū)，前幾種原料的生產(chǎn)成本均無(wú)法與天然氣競(jìng)爭(zhēng)。天然氣合成甲醇的各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)要優(yōu)于其他原料，適于加壓轉(zhuǎn)化，是合成甲醇最理想的原料。20世紀(jì)80年代以來，國(guó)外甲醇裝置向大型化方向發(fā)展。甲醇的經(jīng)濟(jì)規(guī)模對(duì)投資與產(chǎn)品成本影響較大，一般來講裝置規(guī)模越大，產(chǎn)品成本越低。
近10多年來，世界合成甲醇技術(shù)有了很大的發(fā)展，其趨勢(shì)為原料路線多樣化、生產(chǎn)規(guī)模大型化、合成催化劑高效化、氣體凈化精細(xì)化、過程控制自動(dòng)化以及聯(lián)合生產(chǎn)普遍化。從而使合成技術(shù)更加優(yōu)化。甲醇的總生產(chǎn)成本美國(guó)為145~146美 ，中東為69~71美 ，美國(guó)的甲醇生產(chǎn)成本高出中東一倍；中東地區(qū)甲醇產(chǎn)品10％的單位投資回報(bào)所占單位生產(chǎn)成本的比例也比美國(guó)高得多。因此，中東地區(qū)生產(chǎn)的甲醇具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。建議用天然氣制甲醇的工藝路線采用ICI或Lur-gi生產(chǎn)技術(shù)。專家認(rèn)為，天然氣價(jià)格在0．45～0．80元 。我國(guó)天然氣制甲醇項(xiàng)目才有經(jīng)濟(jì)效益。
甲醇的生產(chǎn)工藝過程分為合成氣(氫和一氧化碳)的制造、甲醇的合成和精制3部分。
合成氣的制造根據(jù)原料的不同，有以下幾種方法：
(1)天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化法以天然氣為原料制合成氣生產(chǎn)甲醇，這是國(guó)內(nèi)外發(fā)展的趨勢(shì)。此法優(yōu)點(diǎn)是：投資少，成本低，運(yùn)輸方便，操作簡(jiǎn)單。因此，充分利用天然氣合成甲醇，是國(guó)內(nèi)外主要的發(fā)展方向。
(2)煤氣化法由煤制合成氣。
(3)重油部分氧化法油品(石腦油、重油、渣油等)部分氧化制合成氣的工藝，主要有德士古和殼牌兩個(gè)著名的方法。德士古系采用高壓氣化技術(shù)；殼牌系采用中壓氣化技術(shù)。
目前世界上合成甲醇的工業(yè)生產(chǎn)方法有美國(guó)卜內(nèi)門(ICI)公司的低壓和中壓法，德國(guó)魯奇(Lur—gi)公司的低壓和中壓法，日本三菱瓦斯化學(xué)公司MGC低壓法，丹麥托普索公司節(jié)能型低壓法以及德國(guó)巴斯夫(BASF)公司的高壓法等。我國(guó)小規(guī)模裝置主要采用高壓法，引進(jìn)裝置則采用低壓法。其中川維引進(jìn)ICI法，齊魯引進(jìn)魯奇法。與高壓法比較低壓法的優(yōu)點(diǎn)是：能量消耗少，操作費(fèi)用低，產(chǎn)品純度高，設(shè)備費(fèi)用低，故新建廠大多采用低壓法。國(guó)內(nèi)低壓法已經(jīng)投入生產(chǎn)，并對(duì)催化劑進(jìn)行了研究，已取得了好的進(jìn)展。
(1)德國(guó)巴斯夫公司的高壓法這是最先實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的甲醇生產(chǎn)工藝，由于其操作條件苛刻，能耗大，成本高，所以已逐步被中、低壓法工藝所取代。
(2)ICI低壓法這是目前工業(yè)上廣泛采用的合成甲醇的方法。其工藝過程為：脫硫、轉(zhuǎn)化、壓縮、合成、精餾。特點(diǎn)：在采用不同原料時(shí)開車簡(jiǎn)單，操作可靠，并且不同生產(chǎn)能力的工廠均能使用離心式壓縮機(jī)，產(chǎn)品純度高，能充分利用反應(yīng)熱。
(3)魯奇渣油聯(lián)醇法，我國(guó)山東齊魯石化公司引進(jìn)此方法。特點(diǎn)：熱利用率高，在能量利用方面經(jīng)濟(jì)效果大。目前低壓法合成甲醇工藝中，魯奇法和ICI法在技術(shù)上比較成熟。
(4)中壓法(ICI)公司、丹麥托普索公司、日本三菱瓦斯化學(xué)公司都有成功的方法，中壓法與低壓法相比，工藝過程相同，但在投資和綜合指標(biāo)上都要略高一點(diǎn)。
我國(guó)甲醇工業(yè)的發(fā)展情況我國(guó)甲醇工業(yè)始于20世紀(jì)50年代，主要是由原蘇聯(lián)援建的以煤為原料采用高壓法鋅鉻催化劑合成甲醇技術(shù)。1957年第一套鋅鉻催化劑高壓法甲醇合成裝置在吉林化學(xué)工業(yè)公司投產(chǎn)，設(shè)計(jì)能力為100t／d，然后在蘭州、太原、西安等地陸續(xù)建廠投產(chǎn)。60年代上海吳涇化工廠先后自建了以焦炭和石腦油為原料的甲醇裝置；同時(shí)南京化學(xué)工業(yè)公司研究院研制了聯(lián)醇用中壓銅基催化劑，推動(dòng)了具有我國(guó)特色的合成氨聯(lián)產(chǎn)甲醇工業(yè)的發(fā)展。自2002年年初以來，我國(guó)甲醇市場(chǎng)受下游需求強(qiáng)力拉動(dòng)，以及生產(chǎn)成本的提高，甲醇價(jià)格一直呈現(xiàn)一種穩(wěn)步上揚(yáng)走勢(shì)。甲醇市場(chǎng)價(jià)格最高漲幅超過100％ ，甲醇生產(chǎn)的利潤(rùn)相當(dāng)豐厚，效益好的廠家每噸純利超過了1000元，因而甲醇生產(chǎn)廠家紛紛擴(kuò)產(chǎn)和新建，使得我國(guó)甲醇的產(chǎn)能急劇增加。
2002年，我國(guó)甲醇生產(chǎn)能力達(dá)到4．5Mt，產(chǎn)量為2．31Mt，進(jìn)口1．8Mt，出口量為10kt，表觀消費(fèi)量為4．1 Mt，占市場(chǎng)需求的56％ ；2003年生產(chǎn)能力5 Mt，產(chǎn)量為3 Mt，進(jìn)口量為1．4Mt，出口量為50kt，表觀消費(fèi)量為4．35 Mt，占市場(chǎng)需求的69％ ；2004年生產(chǎn)能力達(dá)到7Mt，產(chǎn)量4．4Mt，進(jìn)口量為1．36Mt，出口量約30kt，表觀消費(fèi)量為5．73Mt，占市場(chǎng)需求的77％ ；2005年生產(chǎn)能力為10Mt，產(chǎn)量達(dá)到5 Mt，進(jìn)口量為1．15 Mt，表觀消費(fèi)量為6．15Mt，占市場(chǎng)需求的80％。2006年上半年我國(guó)共生產(chǎn)甲醇3．4Mt比2005年同期增長(zhǎng)29．7％ ，下半年又有2 Mt的新建甲醇裝置陸續(xù)竣工投產(chǎn)，使得2006年我國(guó)甲醇產(chǎn)量突破7Mt大關(guān)，比2005年增加2Mt。同時(shí)，2006年我國(guó)的甲醇需求量仍將保持較高速度的增長(zhǎng)，消費(fèi)量將超過7 Mt，再創(chuàng)歷史新高。2006年我國(guó)甲醇出口(主要出口到韓國(guó))量已超過100kt。我國(guó)現(xiàn)在已成為世界第二大甲醇消費(fèi)國(guó)，同時(shí)也是甲醇生產(chǎn)增長(zhǎng)最快的國(guó)家，并將繼續(xù)高速發(fā)展。
目前國(guó)內(nèi)甲醇工業(yè)已經(jīng)是供過于求，且發(fā)展趨頭越來越“猛烈”，在未來5年內(nèi)我國(guó)甲醇產(chǎn)量將新增26～30Mt，總生產(chǎn)能力將達(dá)到36～40Mt。國(guó)內(nèi)許多甲醇生產(chǎn)企業(yè)將面臨巨大的生存和發(fā)展壓力。建議有關(guān)部門加強(qiáng)宏觀調(diào)控，適當(dāng)控制國(guó)內(nèi)甲醇工業(yè)建設(shè)過熱的勢(shì)頭，應(yīng)從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度考慮，加大甲醇下游產(chǎn)品的開發(fā)力度。建議優(yōu)化甲醇資源，加大甲醇出口力度，把我國(guó)甲醇企業(yè)的注意力盡快轉(zhuǎn)移到甲醇下游產(chǎn)品的開發(fā)
1 已知設(shè)計(jì)參數(shù)
操作壓力： 常壓; 操作溫度： 120℃
入塔物料： 甲醇; 塔高： 14.96米
塔徑： 0.8米; 環(huán)境： 衡陽(yáng)室外
2 設(shè)計(jì)方案的確定
本設(shè)計(jì)任務(wù)為分離甲醇——水混合物。對(duì)于二元混合物的分離，應(yīng)采用連續(xù)精餾流程。設(shè)計(jì)中采用泡點(diǎn)進(jìn)料，將原料通過預(yù)熱器加熱至泡點(diǎn)后送入精餾塔內(nèi)。甲醇常壓下的沸點(diǎn)為64.8℃，而本任務(wù)要求采用常壓操作，符合題意。用30℃的循環(huán)水進(jìn)行冷凝。塔頂上升蒸汽采用全凝器進(jìn)行冷凝，冷凝液在泡點(diǎn)下一部分回流至塔內(nèi)，其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷卻器冷卻后送至儲(chǔ)槽。因所分離物系的重組分為水，故直接采用直接蒸汽加熱方式，釜?dú)堃褐苯优欧拧?
3 塔設(shè)備的選型
3.1 塔型
根據(jù)《塔設(shè)備》中塔型選擇一般原則，本設(shè)計(jì)中入塔物料有較弱腐蝕性，再結(jié)合已知的操作條件及塔徑，由表2-8塔型選擇順序表選擇填料塔，而且填料塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，壓力降小，傳質(zhì)效率高，便于采用耐腐蝕材料制造，過去，填料塔多推薦用于0.7m以下塔徑，近年來，隨著高效新型填料和其他高性能塔內(nèi)件的開發(fā)，以及人們對(duì)填料流體力學(xué)、放大效應(yīng)及傳質(zhì)激勵(lì)的深入研究，使填料塔技術(shù)得到了迅速發(fā)展，目前，國(guó)內(nèi)外已開始利用大型高效填料塔改造板式塔，并在增加產(chǎn)量、提高產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)能等方面取得了巨大的成效。所以在塔設(shè)備的選擇上選擇填料塔更好。
3.2 填料的選擇
由于本塔設(shè)計(jì)為甲醇填料精餾塔，介質(zhì)為甲醇，綜合其腐蝕性、成膜性、塔體的直徑、傳質(zhì)效率及其他性質(zhì)，而矩鞍環(huán)填料具有通過能力大，壓力降低，沸液量小，容積重量輕，以及填料層結(jié)構(gòu)均勻等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于真空蒸餾。最后選擇顆粒填料中的不銹鋼矩鞍環(huán)，類型為50。
而由《塔設(shè)備》中表5-20 不銹鋼矩鞍環(huán)的特性數(shù)據(jù)得，所選填料的尺寸為50×29×0.5，堆積個(gè)數(shù)n=11310個(gè)/m3，堆積密度為141kg/m3，比表面積為79，空隙率為0.982，干填料因子為83。
3.3 填料層高度的計(jì)算及分段
3.3.1等板高度計(jì)算
填料層的等板高度與許多因素有關(guān)，包括流體力學(xué)因素，物理因素，熱力學(xué)因素，傳遞因素和操作因素等。至今尚未有很完善的計(jì)算公式，計(jì)算中應(yīng)采用直接測(cè)定的數(shù)據(jù)或主要性質(zhì)相近的物系數(shù)據(jù)。近年來研究者通過大量數(shù)據(jù)回歸得到了常壓蒸餾時(shí)的HETP關(guān)聯(lián)式如下：
lnHETP=h-1.292lnσL+1.47lnμL
式中 HETP—等板高度，mm；
σL—液體表面張力，N/m；
μL—液體粘度，Pa/s；
h—常數(shù)。
在《化工原理》附錄2 水的物理性質(zhì)中查得，水在120℃時(shí)：
σL=548.4N/m μL=237.4 Pa/s
查表5-15 HETP關(guān)聯(lián)式中的常數(shù)值得：
h=7.0382
所以結(jié)合上式可得HETP值為1022.7mm，而本設(shè)計(jì)的塔高為14.96m，減去部分高度得填料層的大約高度為8000mm。
3.3.2填料層的分段
對(duì)于散裝填料，根據(jù)《化工設(shè)備手冊(cè)》表2-6-47散包裝填料分段高度 得矩鞍環(huán)填料塔中h/D為5～15，h max≤6m。所以精餾段分為三段，每段為2150mm；提餾段只有一段為2500mm。
4 填料塔內(nèi)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.1 填料支承裝置
梁型氣體噴射式填料支撐板具有支撐板上開孔的自由截面積大；支撐板上氣液流通的自由截面積大，允許較高的氣液負(fù)荷；氣體通過支撐板的壓降小。這種支撐板是最好的塔填料支撐件，推薦優(yōu)先采用。
支撐板結(jié)構(gòu)形式為多塊波形梁型支撐板拼裝結(jié)構(gòu)，每一塊支撐板之間用螺栓連接，整塊支撐板為可拆結(jié)構(gòu)?！痘ぴO(shè)備手冊(cè)》表2-6-36支撐板的波形尺寸查得當(dāng)塔徑DN在400-800mm時(shí)波形尺寸為192。當(dāng)DN1200mm的支撐板，可不設(shè)置邊圈。由表2-6-37支撐板結(jié)構(gòu)尺寸知DN=800mm時(shí)支撐板外徑：780mm，支撐板分塊數(shù)：3，支撐圈寬度：40mm，支撐圈厚度：10mm。連接卡子由JB1119-81選卡子Ⅱ10，支撐板材料選擇0Cr18Ni9。填料
圖1.1升氣管式填料支承板
4.2 填料的壓緊與限位裝置
4.2.1填料壓板
當(dāng)氣速較高或壓力波動(dòng)較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致填料層的松動(dòng)，從而造成填料層及層內(nèi)各處的裝填密度產(chǎn)生差異，引起氣液相的不良分布，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致散裝填料的流化，造成填料的破碎，損壞和流失，為保證填料塔正常，穩(wěn)定的操作，在填料層的上部應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同的材質(zhì)的填料安裝不同填料壓緊器或填料層限位器。
4.2.2填料限位器
一般情況下陶瓷，石墨等脆性散裝填料適用于填料壓緊器，而金屬，塑料散裝填料則使用填料層限位器，本設(shè)計(jì)中使用的為金屬不銹鋼填料，故使用填料限位器。
在選擇填料層限位器時(shí)，由于塔徑DN=800mm，故采用網(wǎng)紋孔板整體限位器，柵板、格條間的間距t=200mm，柵條、邊圈厚度s=6-10mm，選擇的材料為0Cr18Ni9，用卡子緊固，采用卡子型號(hào)為Ⅱ10，Ⅱ10為M10螺栓卡子。
4.3 液體分布裝置
在填料塔操作，因?yàn)橐后w液體的初始分布對(duì)填料塔的影響最大，所以液體分布器是填料塔最重要的塔內(nèi)件之一。液體分布器的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮液體分布點(diǎn)的密度，分布點(diǎn)的布液方式及布液的均勻等因素，其中包括分布器的結(jié)構(gòu)形式、幾何尺寸的確定，液位高度或壓頭大小、阻力等。
為了保證液體初始分布均勻，應(yīng)保證液體分布點(diǎn)的密度即單位面積上的噴淋點(diǎn)數(shù)，由于實(shí)際設(shè)備結(jié)構(gòu)上的限制，液體分布點(diǎn)不可能太多，常用填料塔噴淋點(diǎn)數(shù)可參照下列數(shù)值：
DN400mm時(shí),每30cm的塔截面設(shè)一個(gè)噴淋點(diǎn)；
DN750mm時(shí),每60cm的塔截面設(shè)一個(gè)噴淋點(diǎn)；
DN1200mm時(shí),每240cm的塔截面設(shè)一個(gè)噴淋點(diǎn)；
由于本設(shè)計(jì)的塔徑D=800mm，所以每240cm2塔截面設(shè)一個(gè)噴淋點(diǎn)。而塔截面為：
A=πD24=5024cm
所以噴淋點(diǎn)數(shù)為
5024÷240≈21個(gè)
為了滿足塔徑、液流量以及均布程度的要求，本設(shè)計(jì)選取篩孔盤式分布器。由《塔設(shè)備》中篩孔盤式分布器可知板上的篩孔按正三角形或正方形排列，孔徑為Φ3～Φ10mm，小孔數(shù)按噴淋點(diǎn)數(shù)確定。根據(jù)氣體負(fù)荷大小，在分布器上安裝升氣管，升氣管的直徑不小于Φ15mm。液體由位于分布盤上方的中心管注入盤內(nèi)，管口高于圍環(huán)上緣50～200mm，本設(shè)計(jì)取160mm。塔的內(nèi)徑與分布器定位塊外廊的間隙為8～12mm。分布盤直徑為D=（0.85～0.88）D。由于塔徑為600mm 800mm1200mm，所以分布盤設(shè)計(jì)成分塊結(jié)構(gòu)，又由于每塊寬度不大于400mm，因此本設(shè)計(jì)篩孔分布器分成2塊。
99999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999根據(jù)表5-41 篩孔盤式分布器的設(shè)計(jì)參考數(shù)據(jù)可知，本設(shè)計(jì)的篩孔盤式分布器的參數(shù)為：分布盤直徑為700mm，圍環(huán)高度為175mm，液體負(fù)荷的適用范圍為0.70～35.0m3/h。
4.4液體收集再分布器
4.4.1液體收集器
斜板液體收集器自由面積大，氣體阻力小，一般不超過2.5mm水柱。因此適用于操作壓力較低，特別是真空操作，而且斜板液體收集器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，安裝方便。本設(shè)計(jì)的工作壓力為常壓，因此采用斜板液體收集器能滿足要求。
4.4.2液體再分布器
本設(shè)計(jì)由于塔的直徑DN=800mm，根據(jù)各類液體分布器的使用范圍，帶升氣管盤式篩孔型液體再分布器適用塔徑DN1200mm。本設(shè)計(jì)采用多孔盤式再分布器。分布盤上的孔數(shù)按噴淋點(diǎn)數(shù)確定，孔徑為Φ3～Φ6mm。升氣管的尺寸應(yīng)盡可能的大，其底部鋪設(shè)金屬網(wǎng)，以防填料吹進(jìn)升氣管中。根據(jù)表5-56 多孔盤式再分布器的設(shè)計(jì)參考數(shù)據(jù)得，塔徑為800mm的塔所采用分布盤外徑D1=785mm，升氣管數(shù)為6。
圖1.2 液 體 分 布 器
5 塔設(shè)備的附件
5.1 除沫器
絲網(wǎng)除沫器具有比面積大，重量輕，空隙率大以及使用方便等優(yōu)點(diǎn)，尤其它具有除沫效率高，壓力降小的特點(diǎn)，從而成為一種廣為使用的除沫裝置，為了安裝與檢修方便本設(shè)計(jì)中的除沫器選用上裝絲網(wǎng)除沫器，由《塔設(shè)備》中表8-6上裝絲網(wǎng)除沫器的基本參數(shù)知：DN=800mm時(shí)，H=100mm，H=218mm，D=720mm，重量M=27.2kg。
5.2 裙座
5.2.1裙座的結(jié)構(gòu)
圓筒形裙座制造方便，經(jīng)濟(jì)上合理，故廣泛使用，但對(duì)于變力情況比較差，塔徑小且很高的塔(如DN1m,H/DN25或DN1m,H/DN30)；為防止風(fēng)載荷或地震載荷引起的彎矩造成塔的翻到，則需要配置較多的地腳螺栓及具有足夠大的承載面積的基礎(chǔ)環(huán)，此時(shí)圓筒形裙座的結(jié)構(gòu)尺寸往往滿足不了這么多的地腳螺栓的合理分布，因此只能用圓錐形。本塔的設(shè)計(jì)參數(shù)為：D=800mm，H=14.96m，H/D=14960÷800=18.7<25且塔徑小于一米，所以可選擇圓筒形裙座。
5.2.2裙座與塔體的連接
采用對(duì)接形式時(shí)，一般裙座筒體外徑與塔設(shè)備外徑相等時(shí)，裙座筒體與塔釡封頭的連接焊縫應(yīng)采用全焊透的連續(xù)焊，且與塔封頭的外壁圓滑過度，本設(shè)計(jì)選用對(duì)接形式的全焊透的連續(xù)焊。
由于橢圓封頭的厚度
因橢圓封頭的壁厚為6mm，所以查表8-9 裙座筒體上端面至塔釜封頭切線距離h為35mm。
5.2.3裙座的選材
裙座不直接與塔內(nèi)截止接觸，也不承受塔內(nèi)介質(zhì)的壓力，因此不受壓力容器用材的限制?？蛇x用較經(jīng)濟(jì)的普通碳素結(jié)構(gòu)鋼?？紤]到裙座要滿足載荷要求以及塔的操作情況、塔釜封頭的材料等因素，還有本塔是在室外操作的塔，還要考慮環(huán)境溫度，選擇Q235-B。
5.3 地腳螺栓座
外螺栓座結(jié)構(gòu)型式為常用型式，故本設(shè)計(jì)采用外螺栓座型式，外螺栓座結(jié)構(gòu)尺寸根據(jù)表8-11 外螺栓座結(jié)構(gòu)尺寸選取螺栓規(guī)格M273選取。
圖2.1地腳螺栓座
5.4 排氣管和排氣孔
為了減小復(fù)試以及塔運(yùn)行中有可能有氣體逸出，就會(huì)積聚在裙座與塔體封頭之間的死區(qū)中，或者是可燃的，或者是對(duì)設(shè)備有腐蝕作用，并會(huì)危及進(jìn)入裙座的檢修人員。因此必須在裙座上部設(shè)置排氣管或排氣孔。
因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)裙座不設(shè)保溫或防火層，則其上部要均勻開設(shè)排氣孔，其尺寸由表8-17 排氣孔與排氣管數(shù)量及規(guī)格 查出。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)塔徑屬于600～1200之間，所以排氣孔直徑為Φ80mm，排氣孔數(shù)量為2個(gè)，一個(gè)為有保溫時(shí)的排氣孔，一個(gè)為無(wú)保溫時(shí)排氣孔排氣。孔中心距離座頂端距離為140mm。
5.5 塔底接管引出孔
塔釜封頭上的接管一般需要通過裙座上的通道管引到裙座的外部。引出管上應(yīng)焊接支承板，支承板與通道管之間應(yīng)預(yù)留間隙以考慮熱脹冷縮的需要。最小間隙C由表8-20 查得C=1.5mm。
5.6 檢查孔
裙座上必須開設(shè)檢查孔，以方便檢修。檢查孔有圓形和長(zhǎng)圓形兩種，本設(shè)計(jì)采用圓形檢查孔。根據(jù)表8-15 圓形檢查孔結(jié)構(gòu)尺寸和數(shù)量 裙座直徑屬于800～900mm之間，所以開設(shè)一個(gè)圓形檢查孔，直徑為450mm，Ｍ為200mm，中心高為
900mm。
圖2.2檢查孔
5.7 塔內(nèi)和裙座內(nèi)爬梯
塔上一般都設(shè)有人孔，為方便檢修人員通過人孔進(jìn)入塔內(nèi)，當(dāng)人孔上下兩側(cè)無(wú)可以腳蹬或無(wú)可以手扶的構(gòu)件時(shí)，人孔上下兩側(cè)應(yīng)設(shè)置爬梯。當(dāng)裙座內(nèi)有檢修要求時(shí)，也應(yīng)在裙座內(nèi)設(shè)置爬梯。
5.8 地腳螺栓
為了便于布置地腳螺栓，規(guī)定地腳螺栓數(shù)為4的倍數(shù)，并由表8-24 裙座的地腳螺栓數(shù)得，裙座底部直徑為800mm的裙座最少需地腳螺栓數(shù)4個(gè)，最多為8個(gè)，本設(shè)計(jì)取個(gè)8個(gè)，其材料選擇16Mn。
5.9 地腳螺栓模板
為了準(zhǔn)確地預(yù)埋地腳螺栓，并使塔安裝時(shí)容易對(duì)中。應(yīng)采用地腳螺栓模板進(jìn)行地腳螺栓定位，本設(shè)計(jì)中選擇螺栓間距小于800mm，因此選擇單環(huán)板地腳螺栓座可用單環(huán)板的模板。
5.10 塔頂?shù)踔?
對(duì)于較高的室外無(wú)框架的整體塔，在塔頂設(shè)置吊柱，對(duì)補(bǔ)充和更換填料，安裝和拆卸內(nèi)件是既方便又經(jīng)濟(jì)的一項(xiàng)設(shè)施，根據(jù)塔徑?jīng)Q定回轉(zhuǎn)半徑，由DN=800mm選用標(biāo)準(zhǔn)HT/T21639《塔頂?shù)踔分篠=800mm，L=3150mm，H=900mm，φ×δ=168×10，R=750mm，e=250mm，l=110mm。吊柱采用20號(hào)無(wú)縫鋼管。
5.11 塔釜隔板
5.11.1隔板厚度
隔板材料一般采用Q235-A，當(dāng)塔釡溫度不大于-20 C或物料有腐蝕性時(shí)，隔板材料與塔釡相同，甲醇有腐蝕性，則隔板采用16MnR，直徑DN800mm時(shí)隔板厚度取6mm，
5.11.2隔板上的人孔
塔釡有檢修要求時(shí)，隔板上需要設(shè)置人孔，隔板上的人孔一般為方形。
5.11.3分塊式隔板
由于需要除垢等原因，有些隔板需要設(shè)計(jì)成可拆式的，由于工藝要求不同，隔板形狀各異，但每塊可拆隔板應(yīng)能從人孔進(jìn)入。
5.12 接管
5.12.1液體進(jìn)料管
回流或液體時(shí)，要求均勻流過塔盤，回流管或液體進(jìn)料管的結(jié)構(gòu)型式有直管型、兩端開口T型、兩端封死T型。
本設(shè)計(jì)采用直管型。
5.12.2釜液出口
由于本設(shè)計(jì)中的介質(zhì)是清潔的，且為填料塔，為防止填料塔底的出料口被碎填料堵塞，應(yīng)設(shè)置防碎填料擋板。釜液出口的結(jié)構(gòu)尺寸由表8-30 清潔介質(zhì)的防渦流板機(jī)構(gòu)尺寸 得
5.12.3液面計(jì)接口
為了見識(shí)、調(diào)整釜內(nèi)液量，塔釜上一定要設(shè)置一對(duì)液面計(jì)接口，上方接管口設(shè)置在封頭上。
5.13 管口擋板
5.13.1物料進(jìn)口擋板
由于物料有微腐蝕性，擋板選擇不銹鋼，由表2-4-21知，最小厚度t=4mm
5.13.2液位計(jì)擋板
液位計(jì)一般有上下兩個(gè)接口，為使上方接口處液位穩(wěn)定，以獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，有時(shí)需要在上方接管處設(shè)置擋板。
5.14 人孔和手孔
對(duì)于直徑大于800mm的填料塔，人孔可設(shè)在每段填料層的上；下方，同時(shí)兼作填料裝卸作用，本設(shè)計(jì)中人孔設(shè)在填料層上面，人孔采用HG21514標(biāo)準(zhǔn)，人孔直徑選500mm為宜，小于500mm人員進(jìn)入不便。
5.15 塔的保溫支撐件
當(dāng)塔內(nèi)操作溫度大于環(huán)境溫度且不允許散熱或防止高溫塔壁燙傷人體時(shí)，塔需要設(shè)置保溫層，本設(shè)計(jì)中操作溫度為120C，應(yīng)設(shè)置表溫層。
5.15.1塔壁上保溫支撐件
保溫支撐件設(shè)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，歸納國(guó)內(nèi)外常用保溫支撐件，本設(shè)計(jì)選用II型保溫支撐件，取保溫厚度=80mm，由表2-4-22保溫圈寬度W=60mm。
5.15.2底封頭保溫支撐件
常用底封頭保溫支撐件一般采用M12方螺母作為保溫支撐連接件，方螺母在兩個(gè)方向的間距約為300mm，方螺母與接管等零件相碰時(shí)，可以調(diào)整方螺母位置。
5.15.3裙座防火支撐件
當(dāng)塔內(nèi)或周圍的容器內(nèi)的介質(zhì)是易燃易爆物料時(shí)，為使裙座在發(fā)生火災(zāi)時(shí)不會(huì)因?yàn)闇囟壬仙侨?qiáng)度，導(dǎo)致塔器倒塌，應(yīng)考慮為裙座設(shè)置防火層，是否需要設(shè)置防火層一般有安全專業(yè)人員決定。
5.16操作平臺(tái)和梯子
5.16.1操作平臺(tái)
操作平臺(tái)應(yīng)設(shè)置在人孔，手孔，塔頂?shù)踔?，液面?jì)等需要經(jīng)常檢修和操作的地方，底層平臺(tái)凈高度不小于2.0m，各層平臺(tái)間最小距也不應(yīng)大于8.0m，平臺(tái)寬度為0.8-1.1m，當(dāng)平臺(tái)設(shè)在手孔附近時(shí)凈寬不小于0.9m，用于檢修塔盤用的平臺(tái)，寬度最好不小于1.1m，平臺(tái)材料選用Q235-AF。
5.16.2梯子
不經(jīng)常使用的操作平臺(tái)，可用直梯，直梯高度一般不應(yīng)超過5m，籠梯相鄰護(hù)圈的間距為1.0-1.3m，不得大于1.5m，梯子距保溫層外表面至少為200mm，梯子選用Q235-AF。
6 塔設(shè)備的強(qiáng)度設(shè)計(jì)和穩(wěn)定校核
6.1 筒體和封頭尺寸計(jì)算
6.1.1根據(jù)設(shè)計(jì)壓力和液柱靜壓力確定計(jì)算壓力
塔內(nèi)液柱高度僅考慮塔底至液封盤液面高度h=2.34m
120C時(shí)水的密度為943.1kg/m
液柱靜壓力=10=＜，可忽略。
計(jì)算壓力
6.1.2筒體厚度計(jì)算
低壓容器的圓筒厚度計(jì)算式為：
查《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》第二版表D1鋼板許用應(yīng)力
在設(shè)計(jì)溫度為120℃時(shí)，16MnR厚度為6-16mm時(shí)許用應(yīng)力為=170，
查《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》第二版表4-3 鋼制壓力容器的焊接接頭系數(shù)值，
在制造中采用雙面焊對(duì)接接頭和相當(dāng)于雙面焊的全熔透對(duì)接接頭實(shí)行局部無(wú)損檢測(cè)，故焊接接頭系數(shù)值取0.85。將、 值代入上式得
根據(jù)GB150中的規(guī)定：
殼體加工成形后不包括腐蝕裕量的厚度：
對(duì)碳素鋼、低合金鋼制容器，不小于3mm
對(duì)高合金鋼制容器，不小于2mm
所以本設(shè)計(jì)取δ=3mm
圓筒設(shè)計(jì)厚度
式中
為腐蝕裕量，在無(wú)特殊腐蝕情況下，對(duì)于碳素鋼和低合金鋼，不小于1mm，故=2mm。
材料為Q345R時(shí)，負(fù)偏差C=0，故C=2mm。
圓筒設(shè)計(jì)厚δd=δ+C2=3+2=5mm
圓整并根據(jù)《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》附表4-1
取圓筒名義厚度為=6mm,滿足上述條件，則圓筒有效厚度=-=。
6.1.3封頭的厚度計(jì)算
本設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭
封頭厚度計(jì)算公式為：=0.277mm
根據(jù)GB150中的規(guī)定：
殼體加工成形后不包括腐蝕裕量的厚度：
對(duì)碳素鋼、低合金鋼制容器，不小于3mm
對(duì)高合金鋼制容器，不小于2mm
所以本設(shè)計(jì)取δ=3mm
封頭設(shè)計(jì)厚度=+2=3+mm
封頭名義厚度與圓筒一樣，取為6mm
封頭有效厚度=-=
6.2 載荷分析
6.2.1塔設(shè)備質(zhì)量載荷計(jì)算
塔設(shè)備的操作質(zhì)量:
塔設(shè)備在水壓試驗(yàn)時(shí)的最大質(zhì)量:
塔設(shè)備在停工檢修時(shí)的最小質(zhì)量:
其中 m(kg) 塔體，裙座質(zhì)量
塔段內(nèi)件質(zhì)量
保溫材料質(zhì)量
（）平臺(tái)、扶梯質(zhì)量
（）操作時(shí)塔內(nèi)物料的質(zhì)量
人孔、接管、法蘭等附件質(zhì)量
水壓試驗(yàn)時(shí)充水的質(zhì)量
偏心載荷
6.2.2筒體質(zhì)量
已知塔體總高度為14.96m，而封頭為厚度為6mm，內(nèi)徑為800mm的標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，所以D/2h=2，D=4h, h=200mm
所以圓筒總高為 H=H-2h-2δ=14960-400-12=14548mm
查《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》附表4-1得一米高筒節(jié)理論質(zhì)量為119
筒體質(zhì)量m1=14.548×119=1731.2
6.2.3封頭質(zhì)量
查《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》附表4-3得公稱直徑為800mm厚度為6mm的橢圓封頭的質(zhì)量為35.14，
查《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》附表4-2 以內(nèi)徑為公稱直徑的橢圓封頭的型式和尺寸 得曲邊高度為200mm，當(dāng)10mm時(shí)，封頭直邊高度取25mm。
封頭質(zhì)量=2×35.14=70.28。
6.2.4裙座質(zhì)量
取裙座高度為3200mm，裙座材料選Q235-A，一米高裙座理論質(zhì)量為125
裙座質(zhì)量=125×3.2=400
所以塔體總質(zhì)量=筒體質(zhì)量+封頭質(zhì)量+裙座質(zhì)量 即
=++=1731.2+70.28+400=2201.48
6.2.5塔段內(nèi)件質(zhì)量
本設(shè)計(jì)中的塔內(nèi)件中包括了液體分布器和再分布裝置、填料、填料支承裝置、除沫器、填料壓板以及床層限制板，所以塔段內(nèi)件的質(zhì)量應(yīng)為以上幾項(xiàng)的和。
填料的質(zhì)量：由于查表得填料的單位質(zhì)量為141kg/m3，所以全部填料的總質(zhì)量為：
141==566.707kg
液體分布器的質(zhì)量：=216.8kg
填料支承裝置的質(zhì)量：=44kg
除沫器質(zhì)量：根據(jù)以上的選擇為27.1kg。
填料壓板質(zhì)量：=55.264kg
所以總質(zhì)量：=566.707+216.8+44+55.264+27.2=909.971kg
6.2.6保溫材料質(zhì)量
取保溫層厚度為=80mm
查《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表5-4 塔設(shè)備部分零件質(zhì)量載荷估算表
得 保溫層質(zhì)量載荷為300，查《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》附表4-2 以內(nèi)徑為公稱直徑的橢圓封頭的型式和尺寸 得封頭的容積為0.0796,以保溫層外徑為內(nèi)徑的橢圓型封頭的容積為0.2307。
所以
==1068.593kg
式中為封頭保溫層質(zhì)量
6.2.7平臺(tái)、扶梯的質(zhì)量
查《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表5-4 塔設(shè)備部分零件質(zhì)量載荷估算表
得：鋼制平臺(tái)質(zhì)量，籠式扶梯質(zhì)量
塔設(shè)備總高=已知高度-單個(gè)封頭高度+裙座高度=14960-400+3200=17760mm
塔設(shè)備總高取為18m, 籠式扶梯總高取為HF18m，平臺(tái)數(shù)量n取4
則
=
=2577.624
6.2.8操作時(shí)塔內(nèi)物料的質(zhì)量
查《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》附表4-2 得 封頭容積=0.0796m3
則
=1255.159
6.2.9人孔、接管，法蘭等附件的質(zhì)量
按經(jīng)驗(yàn)取附件質(zhì)量為=0.25
=0.25×2201.48=550.37
6.2.10充液質(zhì)量
=
=5907.279
6.2.11塔設(shè)備的操作質(zhì)量
=2201.48+909.971+1068.593+2577.624+1255.159+550.37+0
=8563.197
6.2.12塔設(shè)備的最大質(zhì)量
=2201.48+909.971+1068.593+2577.624+5907.279+550.37
=13215.317
6.2.13塔設(shè)備的最小質(zhì)量
=2201.48+0.2×909.971+1068.593+2577.624+550.37
=6580.061
6.3 自振周期的計(jì)算
已知塔徑DN=800mm，塔的有效厚度=4mm，塔設(shè)備的高度H=18m，操作質(zhì)量=8563.197kg，由《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》知塔設(shè)備的自振周期
==1.15(s)
6.4 風(fēng)載荷與風(fēng)彎矩的計(jì)算
各計(jì)算段的外徑均為==800+2×6=812mm
塔頂管線外徑：塔頂管線是氣體的出口，已知
設(shè)計(jì)壓力： 0.1MPa
設(shè)計(jì)溫度： 120℃
常溫常壓下
氣體密度：2.81kg/m3
氣體流量：0.772 m3/s
由氣體狀態(tài)方程可計(jì)算出設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓力下的氣體流量 即：
求得===0.086 m3/s
操作氣速為=1.1m/s
則，塔頂管線外徑=315.18mm,圓整后取=350mm
第段保溫層厚度已知為80
取管線保溫層厚度=80mm
籠式扶梯當(dāng)量寬度=400
取各段平臺(tái)構(gòu)件的投影面積 為mm，
操作平臺(tái)當(dāng)量寬度
塔設(shè)備迎風(fēng)面的有效直徑是該段所有受風(fēng)構(gòu)件迎風(fēng)面的寬度總和。
當(dāng)籠式扶梯與塔頂管線布置成180°時(shí)
當(dāng)籠式扶梯與塔頂管線布置成90°時(shí),取下列兩式中的較大值
風(fēng)壓高度變化系數(shù)可根據(jù)各計(jì)算段頂截面距地面高度查《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》第二版表7-5。
體型系數(shù) 風(fēng)壓在不同體型的結(jié)構(gòu)表面分布亦不相同，對(duì)細(xì)長(zhǎng)的圓柱形塔體結(jié)構(gòu)，體型系數(shù)=0.7.
風(fēng)振系數(shù) 風(fēng)振系數(shù)是考慮風(fēng)載荷的脈動(dòng)性質(zhì)和塔體的動(dòng)力特性的折算系數(shù)。對(duì)塔高的塔設(shè)備，取1.70。而對(duì)于塔高＞時(shí)，則按下式計(jì)算
在此設(shè)計(jì)中，塔高=＜，故風(fēng)振系數(shù)=1.70
已求出塔設(shè)備自振周期T=1.15s，
查《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》表17-2，近似取衡陽(yáng)地區(qū)基本風(fēng)壓值為350
=350×=462.88
假設(shè)土地粗糙度類別為B類，則由值查《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》第二版表7-6得
脈動(dòng)增大系數(shù)=2.24，
查表7-7得，脈動(dòng)影響系數(shù)分別為=0.72，=0.72，=0.72，=0.79
第段振型系數(shù)可根據(jù)/查7-8得到
各計(jì)算段的水平風(fēng)力×
將以上討論數(shù)據(jù)整理如表1.1
表1.1風(fēng)載荷與風(fēng)彎矩的計(jì)算
計(jì)算內(nèi)容
數(shù)據(jù)
0～
1～2
2～3
3～頂
各計(jì)算段的外徑()
812
塔頂管線外徑()
350
第段保溫層厚度()
80
管線保溫層厚度()
80
籠式扶梯當(dāng)量寬度
400
各計(jì)算段長(zhǎng)度()
1000
2000
7000
8000
操作平臺(tái)所在計(jì)算段長(zhǎng)度()
1000
2000
7000
8000
平臺(tái)數(shù)
0
0
1
3
操作平臺(tái)當(dāng)量寬度
0
0
257.1
540
各計(jì)算段的有效直徑()
1372
1372
1629
1912
1482
1482
1739
2022
各計(jì)算段頂截面距地面高度()
1
3
10
18
風(fēng)壓高度變化系數(shù)
0.8
0.8
1.00
1.25
體型系數(shù)
0.7
風(fēng)振系數(shù)
1.70
塔設(shè)備自振周期()
1.15
350
462.88
脈動(dòng)增大系數(shù)
2.24
脈動(dòng)影響系數(shù)
0.72
0.72
0.72
0.79
0.056
0.167
0.556
1.00
第段振型系數(shù)
0.02
0.05
0.40
1.00
各計(jì)算段的水平風(fēng)力
302.1
639
4920.9
11988.4
塔設(shè)備任意截面處的風(fēng)彎矩按下式計(jì)算：
塔設(shè)備底截面的風(fēng)彎矩為
代入數(shù)值得
=302.1×+639×（）+4920.9×（）+11988.4×（）=
1-1截面的風(fēng)彎矩為
代入數(shù)值的得
=639×（）+4920.9×（）+11988.4×（）
=
2-2截面的風(fēng)彎矩為
帶入數(shù)值得
=4920.9×（）+11988.4×（）=
6.5 地震載荷與地震彎矩的計(jì)算
當(dāng)發(fā)生地震時(shí)，塔設(shè)備作為懸臂梁，在地震載荷作用下產(chǎn)生彎曲變形。安裝在七度或七度以上地震烈度地區(qū)的塔設(shè)備必須考慮它的抗震能力，計(jì)算出它的地震載荷。
首先，選取計(jì)算截面（包括危險(xiǎn)截面）。該課題中將全塔分為4段。其計(jì)算截面分別為0-0、1-1、2-2、3-3，其中0-0、1-1、2-2為危險(xiǎn)截面。
由《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》第二版表7-9取第二組Ⅰ類場(chǎng)地土的特性周期為=0.30
由《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》第二版表7-10取設(shè)防烈度為8時(shí)地震影響系數(shù)最大值為=0.16。
地震影響系數(shù)按計(jì)算，即==0.0477＞
設(shè)等直徑、等壁厚塔設(shè)備的任意截面距地面的高度為，基本振型在截面處產(chǎn)生的地震彎矩為
式中為塔單位高度上的質(zhì)量即
當(dāng)塔設(shè)備H/D＞15或H≥20m時(shí)，還需考慮高振型的影響，這時(shí)應(yīng)根據(jù)第一、二、三振型，分別計(jì)算其水平地震力及地震彎矩。然后根據(jù)振型組合的方法確定作用于質(zhì)點(diǎn)處的最大地震力及地震彎矩。這樣的計(jì)算方法很復(fù)雜，所以在進(jìn)行穩(wěn)定和其他驗(yàn)算時(shí)，可按一種簡(jiǎn)化的由第一振型的計(jì)算結(jié)果估算地震彎矩的近似算法即計(jì)算
由此可得
底截面處地震彎矩
=1.25××0.5×0.0477×8563.197×9.81×18000
=2.06×107N?mm
截面1-1處地震彎矩
1.90×107N?mm
截面2-2處地震彎矩
×107N?mm
6.6 偏心彎矩
該塔設(shè)備中無(wú)再沸器，故偏心彎矩為0。
6.7 最大彎矩
最大彎矩取和兩者中的較大值
計(jì)算數(shù)據(jù)如表1.2
表1.2最大彎矩選擇
計(jì)算內(nèi)容
計(jì)算公式及數(shù)據(jù)
0～0截面
1～1截面
2～2截面
2.0
最大彎矩
2.0
6.8 強(qiáng)度校核
6.8.1圓筒軸向力校核和圓筒穩(wěn)定校核
由設(shè)計(jì)壓力引起的軸向應(yīng)力==3.3
此應(yīng)力只存在于筒體，裙座上由設(shè)計(jì)壓力引起的軸向力為0
操作質(zhì)量引起的軸向應(yīng)力==5.57
最大彎矩引起的軸向應(yīng)力，由此式可計(jì)算出：
0-0截面上最大彎矩引起的軸向應(yīng)力66.35
1-1截面上最大彎矩引起的軸向應(yīng)力60.7
2-2截面上最大彎矩引起的軸向應(yīng)力49.43
查《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》第二版附表D1的設(shè)計(jì)溫度下16MnR的許用應(yīng)力為170，Q235-A的許用應(yīng)力為113
載荷組合系數(shù)等于1.2
系數(shù)==0.00141
根據(jù)A值查《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》第二版圖4-7得16MnR在設(shè)計(jì)溫度下的系數(shù)B=118，Q235-A在設(shè)計(jì)溫度下的系數(shù)B=93，
許用軸向壓應(yīng)力取KB和K中較小值
對(duì)內(nèi)壓容器圓筒最大組合壓應(yīng)力≤，
最大組合拉應(yīng)力≤K就滿足要求
數(shù)據(jù)整理如表2.1
表2.1圓筒組合應(yīng)力計(jì)算及校核
計(jì)算內(nèi)容
計(jì)算數(shù)據(jù)
0～0
1～1
2～2
B
93
93
118
KB
111.6
111.6
141.6
K
135.6
135.6
204
K
115.26
115.26
173.4
111.6
111.6
141.6
圓筒最大組合壓應(yīng)力（）
71.92
58.43
55
≤滿足要求
圓筒最大組合拉應(yīng)力（）
64.08
58.43
47.16
≤K滿足要求
6.8.2塔設(shè)備壓力實(shí)驗(yàn)時(shí)的壓力校核
由上已知設(shè)計(jì)壓力P=0.1，進(jìn)行壓力試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)壓力=1.25×0.1×=0.125
查《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》第二版附表D1得 筒體常溫屈服點(diǎn)=345
2-2截面=0.9×1.2×345=372.6
2-2截面=1.2×118=141.6
筒體的許用軸向壓應(yīng)力取及中較小值即
=141.6
由試驗(yàn)壓力引起的周向應(yīng)力
當(dāng)試驗(yàn)介質(zhì)為水時(shí)，=0.001，
單位轉(zhuǎn)換成的液柱靜壓力為，式中為1800，
所以==0.183
=20.69＜（滿足要求）
試驗(yàn)壓力引起的軸向應(yīng)力==4.17
重力引起的軸向應(yīng)力==7.57
彎矩引起的軸向應(yīng)力==14.83
壓力試驗(yàn)時(shí)最大組合壓應(yīng)力=7.56+14.83=22.39＜=141.6
壓力試驗(yàn)時(shí)最大組合拉應(yīng)力=4.17-7.57+14.83=11.43＜=141.6
6.8.3裙座軸向應(yīng)力校核
塔設(shè)備常采用裙座支承。被設(shè)計(jì)中選擇圓筒形裙座，圓筒形裙座軸向應(yīng)力校核首先選取裙座危險(xiǎn)截面。危險(xiǎn)截面的位置，一般取裙座底截面（0-0）或裙座檢查孔（人孔）和較大管線引出孔（）界面處。然后按裙座有效厚度驗(yàn)算危險(xiǎn)截面的應(yīng)力。
（0-0）截面處
（0-0）截面積=×800×6=15072
（0-0）截面系數(shù)===3.014×
由前面計(jì)算知，=111.6，=135.6
裙座許用軸向應(yīng)力取以上兩者中較小值為111.6
（1） 座體操作時(shí)底截面的最大組合軸向壓應(yīng)力應(yīng)滿足如下條件：
≤裙座許用應(yīng)力，其中僅在最大玩具為地震彎矩參與組合時(shí)計(jì)入此項(xiàng)。
故，在此， =71.92＜111.6，滿足要求
檢查孔加強(qiáng)管長(zhǎng)度取為120，檢查孔加強(qiáng)管水平方向的最大寬度取為450
檢查孔加強(qiáng)管厚度取與筒體壁厚一致為6
=2×120×6=1440
1-1截面處裙座筒體截面積
=
=9232
==3.17×
1-1截面處裙座筒體截面系數(shù)
=
=
1-1截面組合應(yīng)力
操作時(shí)底1-1截面的最大組合軸向壓應(yīng)力應(yīng)滿足如下條件
≤裙座許用應(yīng)力，其中僅在最大玩具為地震彎矩參與組合時(shí)計(jì)入此項(xiàng)。
故，在此， =108.67＜111.6，滿足要求
水壓試驗(yàn)時(shí)，最大組合軸向壓應(yīng)力應(yīng)滿足如下條件：
≤裙座許用應(yīng)力
=43.7＜111.6，滿足要求
6.8.4基礎(chǔ)環(huán)和地腳螺栓設(shè)計(jì)及校核
群座內(nèi)徑=800
裙座外徑=800+2×6=812
基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)外徑計(jì)算公式分別為
=800+300=1100
=800-200=500
其中基礎(chǔ)環(huán)截面系數(shù)==
基礎(chǔ)環(huán)面積=mm
基礎(chǔ)環(huán)伸出寬度==144
基礎(chǔ)環(huán)伸出部分平均周長(zhǎng)為==300184
地腳螺栓承受的最大拉應(yīng)力取=和
=中的較大值。其中僅在最大玩具為地震彎矩參與組合時(shí)計(jì)入此項(xiàng)。
==
=
=
故基礎(chǔ)環(huán)地腳螺栓承受的最大拉應(yīng)力=1.17＞0，塔設(shè)備必須設(shè)計(jì)地腳螺栓。
先將地腳螺栓個(gè)數(shù)取為20（4的倍數(shù)）材料選擇Q235。
對(duì)于Q235，取許用應(yīng)力=147
地腳螺栓腐蝕裕量取為3
則地腳螺栓螺紋小徑=+3=25.21
故取地腳螺栓滿足要求
20個(gè)地腳螺栓均布排列，每一個(gè)地腳螺栓兩側(cè)，基礎(chǔ)環(huán)與蓋板之間要設(shè)置筋板，相鄰兩筋板最大外側(cè)間距取為120
基礎(chǔ)環(huán)材料許用應(yīng)力：對(duì)于低碳鋼材料取為140。
水壓試驗(yàn)時(shí)的壓應(yīng)力=1.71
操作時(shí)壓應(yīng)力=0.65
混凝土基礎(chǔ)上的最大壓力取以上兩者中的最大值，
即：
=1.2
=1.2，
由表5-11知
對(duì)軸的彎矩==-2999.8
負(fù)號(hào)表示方向
對(duì)軸的彎矩==2757.89
計(jì)算力矩取以上兩者中大值 即：=2999.8
故，有筋板時(shí)基礎(chǔ)環(huán)厚度=11.3mm
無(wú)論有筋板或無(wú)筋板側(cè)基礎(chǔ)環(huán)厚度都不得小于，
故 此設(shè)計(jì)中取基礎(chǔ)環(huán)厚度
6.8.5筋板設(shè)計(jì)及校核
筋板的許用應(yīng)力按如下公式計(jì)算
當(dāng)≤時(shí)，
當(dāng)＞時(shí)
筋板細(xì)長(zhǎng)比，且不大于250
式中為慣性半徑，對(duì)長(zhǎng)方形截面的筋板取，
筋板長(zhǎng)度=205，故筋板細(xì)長(zhǎng)比==16.38
臨界細(xì)長(zhǎng)比，
式中為筋板材料的許用應(yīng)力，對(duì)低碳鋼材料取140
E為近半材料彈性模量，E=2.1×
所以==15.7，＞ 故
=35.63
筋板的壓應(yīng)力可按下式計(jì)算 ，
式中為一個(gè)地腳螺栓承受的最大拉力，可用式計(jì)算，
==56.9kN
為對(duì)應(yīng)一個(gè)地腳螺栓的筋板個(gè)數(shù)，取=2
故選支座號(hào)為3的型筋板，筋板寬度=125，筋板厚度為=8，筋板長(zhǎng)度=205
故==17.3
筋板的壓應(yīng)力＜筋板的許用應(yīng)力，滿足要求。
6.8.6蓋板設(shè)計(jì)及校核
環(huán)形蓋板的最大應(yīng)力按下式計(jì)算
無(wú)墊板時(shí)
有墊板時(shí)
式中-墊板上地腳螺栓孔直徑，；=27
—蓋板上地腳螺栓直徑，；=40
—筋板寬度，；=125
—筋板內(nèi)側(cè)間距，；=120
—墊板寬度，；=50
—蓋板厚度，；=16
—墊板厚度，。=12
一般環(huán)形蓋板厚度不小于基礎(chǔ)環(huán)厚度。
無(wú)墊板時(shí)==23.5
有墊板時(shí)
==20.4
蓋板最大應(yīng)力應(yīng)等于或小于蓋板材料的許用應(yīng)力，即≤。
對(duì)低碳鋼蓋板的許用應(yīng)力=140，
由計(jì)算結(jié)果可知＜=140，滿足要求。
6.8.7裙座與塔殼的對(duì)接焊縫
截面2-2即裙座與塔殼對(duì)接焊縫截面，此處的剪應(yīng)力按下式校核：
≤
其中僅在最大彎矩為地震彎矩參與組合式計(jì)入此項(xiàng)。
式中-裙座頂截面內(nèi)直徑，=800
-設(shè)計(jì)溫度下焊接接頭的許用應(yīng)力，取兩側(cè)母材許用應(yīng)力的小值，
即==113
=
=65.78≤=0.6×1.2×113=81.36，滿足要求。
6.8.8接管計(jì)算
由前面計(jì)算已知，塔頂管線外徑為350，即進(jìn)氣口與排氣口的公稱直徑為350，查《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》附表4-13，選擇對(duì)應(yīng)補(bǔ)強(qiáng)圈尺寸為外徑為620，內(nèi)徑按補(bǔ)強(qiáng)圈坡口類型確定。厚度取8
進(jìn)液口公稱直徑=
式中為液體流速，參照《化工原理》取低粘度流體在管道中的流速，=3
故 ==×1000=27.1，故取進(jìn)液管直徑=50，考慮液體流下時(shí)速度會(huì)增加，取出料口直徑
各接管選取如表2.2
表2.2接管
符號(hào)
公稱直徑
連接面形式
用途
符號(hào)
公稱直徑
連接面形式
用途
450
人孔
100
突面
回流口
32
突面
溫度計(jì)
25
突面
取樣口
350
突面
進(jìn)氣口
15
突面
液面計(jì)
100
突面
加料口
80
突面
出料口
25
突面
壓力計(jì)
500
突面
人孔
350
突面
排氣口
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附 錄
Energy-saving technology of distillation process
Abstract: Distillation is a chemical, petrochemical, pharmaceutical and other important unit operation in process; this paper focuses on energy-efficient distillation process. Heat from the distillation process full use; improve the separation efficiency of distillation systems, improve product recovery to achieve lower energy consumption; reduce the energy needs of the distillation process and the strengthening of management aspects, discusses in detail the energy-saving technology of distillation process.
Keywords: distillation; energy
1 Introduction
In industrial production, petrochemical industry, the largest proportion of energy consumption, while energy consumption in the petrochemical industry for the greatest separation operation, among which the energy consumption of distillation the first place. Distillation process is a complex heat and mass transfer process, as follows: the process of multi-variable, controlled variable and more controllable variables are many; process and mechanism of complex dynamic. "
First, with the rapid development of petrochemical industry, distillation is more and more widely, increasing separation of the components of materials, separation of the product purity requirements are being improved, but people also do not want to consume too much energy, which the control of the distillation process to make a request. Secondly, as a chemical production process of the most widely separated, large energy-consuming distillation is a chemical unit operation. In the actual production in order to ensure qualified products, distillation unit operation is often conservative, methods of operation and operating parameters are often less reasonable. In addition, because the energy consumed most of the distillation process is not used for component separation, but was taken away by cooling water or separate components.
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