甲醇精馏塔的设计
《化工设备设计基础》课程设计
题目:甲醇精馏塔的设计
年级:2011级
专业:化学工程与工艺
学号:[1**********]6
姓名:高鑫政
指导老师:徐琼
湖南师范大学树达学院
2014 年 6 月 4 日
1 化工设备设计基础课程设计
《化工设备机械基础》课程设计成绩评定栏
设计任务:甲醇精馏塔的设计
完成人:高鑫政 学号:[1**********]6
评分说明:储罐设计作品的总分=(设计说明书成绩+设计图纸成绩)*0.9+答辩成绩
塔设备设计作品的总分=设计说明书成绩+设计图纸成绩+答辩成绩
化工设备设计基础课程设计
2
设计任务书(十六)
题目:甲醇精馏塔的设计 设计内容:
根据给定的工艺参数设计一筛板塔,具体包括塔体、裙座材料的选择;塔体及封头的壁厚计算及其强度、稳定性校核、筒体和裙座的水压试验应力校核、裙座结构设计及强度校核;塔设备的结构设计;基础环、地脚螺栓计算等
已知工艺参数:
3 化工设备设计基础课程设计
设计要求:
(1)计算单位一律采用国际单位,计算过程及说明应清楚; (2)所有标准件均要标记或代号;
(3)对设计内容汇总,按规定的格式编写《设计说明书》; (4)设计说明书有封面、目录、封底,目录有序号、内容、页码; (5)设计说明书中数据与装配图中的数据一致; (6)装配图采用A1号图纸手工绘制。
化工设备设计基础课程设计 4
甲醇精馏塔的设计
第 1 页
目 录
第1章前言
1.1 摘 要..................................................................... 3 1.2 设计内容和条件............................................................................................. 3 1.3塔体材料选择.................................................................................................. 4 1.4裙座材料选择.................................................................................................. 4 第2章塔体结构设计与计算........................................................................................ 5
2.1 按计算压力计算塔体和封头厚度................................................................. 5 2.2 塔设备质量载荷计算..................................................................................... 5
2.2.1筒体和裙座质量................................................................................... 5 2.2.2塔内件质量........................................................................................... 6 2.2.3保温材料质量....................................................................................... 6 2.2.4平台扶梯质量....................................................................................... 6 2.2.5物料质量............................................................................................... 6 2.2.6充水质量............................................................................................... 7 2.2.7质量载荷结果汇总表........................................................................... 7 2.3风载荷计算...................................................................................................... 7 2.4风弯矩计算...................................................................................................... 9
2.5 地震载荷计算................................................................................................. 9 2.6 偏心弯矩计算............................................................................................... 10 2.7各载荷引起的轴向应力................................................................................ 10 2.8塔体与裙座的危险截面强度、稳定性校核................................................ 11 2.8.1 危险截面强度校核............................................................................11
2.8.2 裙座与塔体对接焊缝截面拉应力校核............................................ 11 2.8.3对各危险截面进行稳定性校核......................................................... 12 2.9塔体水压试验和吊装时的应力校核............................................................ 12 2.10 基础环板设计............................................................................................. 13
2.10.1基础环板内、外径........................................................................... 13 2.10.2基础环应力校核............................................................................... 13 2.10.3基础环厚度计算............................................................................... 14 2.11地脚螺栓计算 .............................................................................................. 14 第3章塔结构设计...................................................................................................... 16 3.1 塔体............................................................................................................... 16
3.2 板式塔及塔盘............................................................................................. 16 3.3 塔设备附件................................................................................................... 16
3.3.1接管..................................................................................................... 16 3.3.2 除沫装置............................................................................................ 16 3.3.3 吊柱.................................................................................................... 16 3.3.4 裙式支座............................................................................................ 16 3.3.5 保温圈................................................................................................ 17
附录.............................................................................................................................. 18 附表1:各部件尺寸大小................................................................................... 18
附表2:质量载荷结果汇总............................................................................... 18
1 化工设备设计基础课程设计
目 录
第1章前言
1.1 摘 要..................................................................... 3 1.2 设计内容和条件............................................................................................. 3 1.3塔体材料选择.................................................................................................. 4 1.4裙座材料选择.................................................................................................. 4 第2章塔体结构设计与计算........................................................................................ 5
2.1 按计算压力计算塔体和封头厚度................................................................. 5 2.2 塔设备质量载荷计算..................................................................................... 5
2.2.1筒体和裙座质量................................................................................... 5 2.2.2塔内件质量........................................................................................... 6 2.2.3保温材料质量....................................................................................... 6 2.2.4平台扶梯质量....................................................................................... 6 2.2.5物料质量............................................................................................... 6 2.2.6充水质量............................................................................................... 7 2.2.7质量载荷结果汇总表........................................................................... 7 2.3风载荷计算...................................................................................................... 7 2.4风弯矩计算...................................................................................................... 9
2.5 地震载荷计算................................................................................................. 9 2.6 偏心弯矩计算............................................................................................... 10 2.7各载荷引起的轴向应力................................................................................ 10 2.8塔体与裙座的危险截面强度、稳定性校核................................................ 11 2.8.1 危险截面强度校核............................................................................11
2.8.2 裙座与塔体对接焊缝截面拉应力校核............................................ 11 2.8.3对各危险截面进行稳定性校核......................................................... 12 2.9塔体水压试验和吊装时的应力校核............................................................ 12 2.10 基础环板设计............................................................................................. 13
2.10.1基础环板内、外径........................................................................... 13 2.10.2基础环应力校核............................................................................... 13 2.10.3基础环厚度计算............................................................................... 14 2.11地脚螺栓计算 .............................................................................................. 14 第3章塔结构设计...................................................................................................... 16 3.1 塔体............................................................................................................... 16
3.2 板式塔及塔盘............................................................................................. 16 3.3 塔设备附件................................................................................................... 16
3.3.1接管..................................................................................................... 16 3.3.2 除沫装置............................................................................................ 16 3.3.3 吊柱.................................................................................................... 16 3.3.4 裙式支座............................................................................................ 16 3.3.5 保温圈................................................................................................ 17
附录.............................................................................................................................. 18 附表1:各部件尺寸大小................................................................................... 18
附表2:质量载荷结果汇总............................................................................... 18
附表3:各载荷结果汇总................................................................................... 19
附表4:风载荷计算结果汇总........................................................................... 19 A主要符号说明 .................................................................................................. 20 参考文献......................................................................................................................21 设计结果评价及总结.................................................................................................. 21
第1章 前言
1.1 摘 要
甲醇系结构最为简单的饱和一元醇,CAS号有67-56-1、170082-17-4,分子量32.04,沸点64.7℃。又称“木醇”或“木精”。是无色有酒精气味易挥发的液体。有毒,误饮5~10毫升能双目失明,大量饮用会导致死亡。用于制造甲醛和农药等,并用作有机物的萃取剂和酒精的变性剂等。通常由一氧化碳与氢气反应制得。自2002年以来,我国甲醇市场受下游需求强力拉动,甲醇生产厂家纷纷扩产和新建,使得甲醇产能急剧增加,产量连年大幅增长。2010年我国甲醇产能达到3757万吨,产量1575万吨,已成为世界第一大甲醇生产国。
1.2 设计内容和条件
题目:甲醇精馏塔的设计 设计内容:
根据给定的工艺参数设计一筛板塔,具体包括塔体、裙座材料的选择;塔体及封头的壁厚计算及其强度、稳定性校核、筒体和裙座的水压试验应力校核、裙座结构设计及强度校核;塔设备的结构设计;基础环、地脚螺栓计算等
1.3塔体材料选择
介质为甲醇对钢材腐蚀不大,温度在-20℃以上,承受一定的压力,故选用低合金钢16MnR,它具有良好的综合力学性能和工艺性能。它是目前我国用途最广、用量最大的压力容器专用器材。型号为16MnR。
1.4裙座材料选择
Q235-A抗拉强度比较好,A表示在40度可以很好的使用,而使用地在长沙,所以裙座选取Q235-A。
第2章塔体结构设计与计算
2.1 按计算压力计算塔体和封头厚度
塔体计算壁厚:
pDi1.22000
8.3 mmt
2p21700.85-1.2
塔体设计壁厚:
dC28.3210.3mm
塔体名义壁厚:
ndC110.30.811.1mm 圆整后取:n=12mm
塔体有效壁厚: 封头设计壁厚:塔体设计壁厚:
pDi
20.5p
t
1.22000
8.3mm
21700.851.20.5
dC28.3210.3mm
塔体名义壁厚:ndC110.30.811.1mm 取圆后整: n12mm
塔体有效壁厚:enC122.89.2mm 圆整后取:e10mm
2.2 塔设备质量载荷计算 2.2.1筒体和裙座质量m01:
筒节DN=2000mm,
n=12mm,筒节总高度H=27.5m,裙座总高度H=3m
2
q1=596 Kg/m(附录4), q2=438Kg(附录6) 圆筒质量:m1=q1H0=596×27.5 =16390 Kg 封头质量:m2=438×2 =876 Kg
裙座质量:m3=q2H2=596×3 =1788 Kg
m01m1m2m319054Kg
2.2.2塔内件质量m02:
筛板塔盘数:52,筛板塔盘质量:65Kg/m2
m02=Di265520.78522655210613Kg
4
2.2.3保温材料质量m03:
22'
m030.785(Di2n2)(Di2n)H022m03
22
0.785(2.62)(2.60)283152(1.491.13)6109Kg
d:保温层厚度,100 mm;ρ2: 保温材料密度 315 Kg/m3 m´03:封头保温材料的质量,Kg
2.2.4平台扶梯质量m04:
122
m040.785(Di2n22B)(Di2n2)nqpqpqFHF
2
22
0.785(220.01220.120.8)(1.820.01220.1)0.561504030
4618Kg
B:平台半径或宽度,100mm;qp:平台质量,150Kg/m2;
n:平台数;HF:扶梯高度,30m; qF:扶梯质量,40Kg/m
2.2.5物料质量m05:
m05
4
Di2(hwNh0)1Vf10.78522(0.1522.0)7911.1379118777Kg
hw:板上液层高度,100mm;h0:塔釜圆筒部分深度;N塔板数;ρ1:物料密度,791Kg/m3;Vf:封头容积,mm3;附件质量ma:按经验值取m01的0.25
化工设备设计基础课程设计
6
倍,ma=0.25m01=4763.5Kg。
2.2.6充水质量mw:
mw
4
偏心质量ma:3800Kg 操作质量:
DiH0w2Vfw0.7852227.5100021.13100088610Kg
m0m01m02m03m04m05mame67629.5Kg最大质量:
mmaxm01m02m03m04mwmame137462.5Kg 最小质量:
mminm010.2m02m03m04mame40362Kg
2.2.7质量载荷结果汇总表:(表1:质量载荷汇总)
2.3风载荷计算
以2-3段为例:塔高H>20m,
7 化工设备设计基础课程设计
T190.333
1090.331.014s q1=q0=350N/m2,q1T123501.0142360(Ns2m2)
ζ动脉增大系数,按4-5查得为2.24;
因地面粗糙度类别为B级,查表4-6得第3段脉动影响系数V3为0.72。
hiH0.35,查表4-7, 并用内插法求得第三段振型系数为0.189
K231
v323
f3
1
2.240.720.189
1.3
1.0
De3取a,b中较大者 a De3Doi2s3K4K33081mm
b De3Doi2s3K4do2ps3281mm Doi=Di + 2δn=2024 mm 取K3=400mm,
6
P0.71.33501700030531066807N 3K1K2q0f3l3De310
s3ps100mm
K4
2A228001000
457mmI37000
6
PiK1K2iq0filiDei10
6
PKKqflD10 12i0i3iei表2 i
化工设备设计基础课程设计 8
2.4风弯矩计算
ll1l
p2(l12)p3(l1l2l3)...p5(l1l2...5)222
622500250021147500680712000182992200024045 Mw00p1
0.9746109Nmm
lll2
p3(l23)...p5(l2l3...5)222
150021146500680715000182992500024045Mw11p2
0.923109NmmMw22p3
l3l
...p5(l3...5)350068071200018299220002404522
0.7724109Nmm
2.5 地震载荷计算
等径、等厚度的塔,HDi31000200015.5﹥15
按公式(4-21)、(4-22)计算基本振型地震弯矩
8Cmg1600ii3.52.53.5
MEiCz1m0gHMEiz12010H14Hh4h.5
35175H Cz-综合影响系数,直立圆筒取0.5
有地震设防烈度8级,设计基本地震加速度:0.2g查表4-8得
αmax=0.16;由场地土类Ⅱ类,设计地震分组:第二组,查表4-9得 Tg=0.4;已计算得T1=1.014s
取第一振型脉动增加系数ζ1=0.02,得衰减指数0.9
0.051
0.95
0.551
1[0.02(0.051)]80.02(0.050.02)80.024 21
0.0510.050.02
11.319
0.061.710.061.70.02
将上述各值代入图4-48中公式计算得a1=0.091
计算界面0-0¹,1-1¹,2-2¹的地震弯矩,并考虑高震型影响
00
ME
1616
1m0gH0.09167629.59.8131000.856109Nmm3535
9 化工设备设计基础课程设计
M001.25M00EE1.250.8561091.07109Nmm
M1181m0g
E
175H
2.5
(10H3.514H2.54h3.5)80.09167629.59.81175310002.5(10310003.514310002.51000410003.5) 0.817109Nmm
M1111E1.25ME1.250.8171091.02109Nmm
M2281mog
E
(10H3.514H2.5H
14h3.51752.5
)=80.09167629.59.81175310002.5
10310003.5-14310002.54000+440003.5)=0.709109Nmm
M2222E1.25ME0.886109Nmm
2.6 偏心弯矩计算
偏心质量 me3800Kg 偏心距e=2000mm
偏心弯矩 Me
mege38009.8120000.746108
Nmm 2.7各载荷引起的轴向应力
由压力引起的轴向应力
pcDi1
41.220001060MPaei4
mii
0gFii
v2
操作质量引起的轴向应力:
Diei
m0000
0g67629.59.812
截面0-0
D1010.56MPaiei3.142000
11
2
m110g66791.59.81截面1-1
D10.43MPaiei3.14200010
化工设备设计基础课程设计 10
11m067629.583866791.5Kg
其中
22
m0g61516.59.819.61MPa Diei3.14200010
截面2-2
222
22m68107838527561516.5Kg 0 其中
最大弯矩在筒体内引起的轴向应力
M
iimax
iiMWMeii
ii
ME0.25MWMe
(取大值)
截面0-0
003
004Mmax1.3882510944.21MPa Di2ei0.7852000210
114Mmax41.3753510943.80MPa 22
Diei3.14200010
224Mmax41.153710936.74MPa Di2ei3.14200010
截面1-1 截面2-2
113
223
2.8塔体与裙座的危险截面强度、稳定性校核 2.8.1危险截面强度校核
本设备为内压设备,最大组合轴向拉应力出现在正常操作的迎风侧,根据(4-30)验算得到截面2-2为最危险截面,对此截面进行强度校核 [σ] t=170MPa,φ=0.85,K=1.3, K[σ]t φ=1.3×170×0.85=187.58MPa
222222609.6136.7487.13MPa max123
22t87.13MPaK[]187.85MPa max
满足要求
2.8.2 裙座与塔体对接焊缝2-2截面拉应力校核
由于裙座与塔体内径相等,所以采用对接焊缝,
JJ22224MmaxM0JJg4MmaxM0gt
0.62w
DitesDites3.142000210200010
11 化工设备设计基础课程设计
满足条件
2.8.3对各危险截面进行稳定性校核
222max222239.6136.7446.31MPa
22max46.31MPa[]CrminKB,K[]tmin140.4,204140.4MPa
11112max22310.4343.8054.23MPa11max
54.2M3Pa[C]rmiKnBK,t
[]
min132,135M.P600
00
max2
03
010.5644.21M54.Pa77
00
max54.77MPa[]CrminKB,K[]tmin132,135.6132MPa
B=0.06Etei/ [δ]t =113MP K=1.3 满足稳定性要求
2.9塔体水压试验和吊装时的应力校核
水压试验时各种载荷引起的应力:
(1)试验压力和液柱静压力引起的环向应力
DieiT
(PT液柱静压力)21.50.3162000+10
=182.508MPa
ei210P=1.25PT1.251.2
170
1.5
i170
MPa
液柱静压力=rH/9.81=0.0001×31000/9.81=0.316
按第三章式(3-16)进行应力校核:
0.9s0.90.85345263.9MPa T182.5M0P8a26M3P. 满足要求
(2)试验压力引起的轴向拉应力
PTDi41.520001075MPa
T1
e4
化工设备设计基础课程设计 12
a132
a9
(3)最大质量引起的轴向压应力
T2
mT22g
Die
137462.59.81
21.47MPa
3.14200010
(4)弯矩引起的轴向应力
T3
22
40.3MwMe
Di2e
40.30.77241090.746108
3.142000210
9.76MPa
最大组合轴向拉应力按(4-34)进行校核:
T1T2T363.29MPa
63.2M9Pa0.K9s液压试验时 T1T2T3
最大组合轴向压应力按(4-35)进行校核:
T2T321.479.7631.23MPaCrminKB,0.9smin140.4,310.5140.4MPa
26M3.P 9a
满足要求
2.10 基础环板设计 2.10.1基础环板内、外径
取
DobDis30020003002300mm
300
1m7m 0
3002000 DibDis
2.10.2基础环应力校核:
max
Ab
0000
Mmaxm0g0.3MwMgmax,max
AbzbAbzb 2
ob
2Dib0.78523002170021884000mm2
D4
Zb
32Dob
D
4
ob
D
4ib
2300417004
322300
8.3756108mm2
(1):
13 化工设备设计基础课程设计
第14 页 甲醇精馏塔的设计
bmax
00
Mmaxmog1.3882510967629.59.812.01MPa8
ZbAb8.3756101884000
(2):
bmax
000.3MwMemmaxg0.30.97461090.746108137462.59.811.15MPa
ZbAb8.37561081884000
取以上两者中的较大值σb=2.01MPa,选用100号混泥土,由表8-9查的其许用应力 Ra=5.0MPa,σ满足要求
bmax=1.72<5.0MPa
2.10.3基础环厚度计算:
[σ]b=140MPa; C=3mm。
b
11DD2=2300-2000+2100bises=140mm22,假设螺栓直径为M36,
b140
0.88
由表8-11查得L=160mm,当l160时,由表8-10查得 :
MX0.1482bmaxb20.14822.0114025838.5NmmMY0.0848bmaxl20.08482.0116024363.5Nmm
取其中较大值,故Ms=5838.5 (N•mm) 按有筋板时计算基础环厚度:
b
C
318.82mm
圆整后取δb=19mm >16mm ,合理
2.11地脚螺栓计算
b0
M0wMe
Zb
000
mmingM0E0.25MwMe
Ab
,
Zb
mog
Ab
,其中
00009
Mw mmin40362Kg ME1.0719N0mm0.97461N0mm
m067629.5KgZb8.3756108mm3Ab1884000mm2
化工设备设计基础课程设计
14
甲醇精馏塔的设计
第 15 页
0.97461090.746108403629.811.46MPa(1)B1 8.37561081884000
(2)
B2
1.071090.250.97461090.74610867629.59.81
2.01MPa
8.37561081884000
取以上两数中的较大值, B22.01MPa 地脚螺栓的螺纹直径, d1
C2
式中:d1为地脚螺栓螺纹直径,mm;C2为地脚螺栓腐蚀裕量,取3mm;n为地脚螺栓个数,一般去4的倍数;bt
为地脚螺栓材料的许用应力,选取Q235-A时,
147MPa ,假设n=32,则 取bt
d1
335.02mm
圆整后取d136mm,M36>M24,合理 故选用 32-M36的地脚螺栓。
15 化工设备设计基础课程设计
第3章塔结构设计
3.1 塔体
塔体包括塔壳筒体、封头、人孔、手孔、叶面计、接管、法兰等各受压元件,其结构形式和要求应满足GB150有关规定。
3.2 板式塔及塔盘
因塔径为2000mm大于800mm 故选用分块式塔盘
3.3 塔设备附件 3.3.1接管
塔设备的塔体上配有各种工艺接管和仪表接管,大多数接管与一般容器上接管结构相同。
3.3.2 除沫装置
除沫装置属气液分离装置,用以出去气体夹带的液滴和雾沫,保证传质效率。触摸装置可安装在塔内或塔上部,也可作为独立的气液分离设备。
3.3.3 吊柱
对于高度大于15m的室外无框架的整体塔,应考虑安装和检修时起吊塔台及其他附件方便,所以常在塔顶安装可转动的吊柱。
3.3.4 裙式支座
裙座是塔设备广泛采用的一种支座,裙座有圆筒形和圆锥型两种,这次设计采用圆筒形。
3.3.5 保温圈
塔外保温材料的支撑圈叫保温圈。 塔体保温圈为Ⅰ型; 塔顶保温圈为Ⅱ型; 塔底保温圈为Ⅲ型。
但条件已提供保温材料。密度为315Kg/m3
附录
附表1:各部件尺寸大小
附表2:质量载荷结果汇总
附表3:各载荷结果汇总
附表4:风载荷计算结果汇总
A主要符号说明
基础环面积:Ab 平台质量:裙座筒体的截面积:
Asm
qp
笼式扶梯质量:qF
基础环伸长宽度:b 各类土场的特征周期:Tg 厚度附加量:C 塔内直径:
Di
弹性模量:E 塔体高度:H 笼式扶梯高度:HF 塔盘介质层高度 :
hw
风压高度变化系数 :K1 地震弯矩 :Mii
E 风弯矩 :Mii
W
充液质量 :
mW
塔盘数 :N 人孔个数 :n 设计压力 :P 基本风压值 :
q0
地震影响系数: 风压高度变化系数:fi
自振周期:T1 设计温度:t
裙座筒体的截面系数:Zsm
常温屈服点:
s
介质密度 : 塔外保温层厚度:
s
圆筒计算厚度:
名义厚度:n
有效厚度:
e
保温材料密度 :2
基本振型参数 :
k
地震影响系数 :1 脉动增大系数 : 载荷组合系数 :k
自振周期地震影响系数:
max
设计温度弹性模量:E
t
参考文献
[1] 谭蔚.《化工设备设计基础》天津,天津大学出版社 2007,3.
[2] 蔡纪宁,张秋翔,《化工机械基础课程设计指导书》。北京 化学工业出版社2010,8.
设计结果评价及总结
通过此次课程设计,使我更加扎实的掌握了有关化工机械设备方面的知识,在设计过程中虽然遇到了一些问题,但经过一次又一次的思考,一遍又一遍的检查终于找出了原因所在,也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知,通过亲自动手制作,使我们掌握的知识不会空洞抽象。
书到用时方恨少,在课程设计过程中,我不断发现错误,不断改正,不断领悟,不断获取。最终,这次课程设计终于顺利完成了,在设计中遇到了很多问题,最后在同学的请教下,终于缓步而行。在今后社会的发展和学习实践过程中,一定要不懈努力,不能遇到问题就想到要退缩,一定要不厌其烦的发现问题所在,然后一一进行解决,只有这样,才能成功的做成想做的事,才能在今后的道路上劈荆斩棘,而不是知难而退,那样永远不可能收获成功,收获喜悦,也永远不可能得到社会及他人对你的认可!
通过这次课程设计,我掌握了如何将化工工艺条件与化工设备设计有机的结合起来,使所学有关机械课程的基本理论和基本知识得以巩固和强化,设计过程中,也对独立思考进行了锻炼。
21 化工设备设计基础课程设计
化工设备设计基础课程设计22