甲醇精馏塔机械设计部分文档格式.docx
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微分式接触,可采用逆流操作,也可采用并流操作。
设备性能
空塔速度(生产能力)低
小塔径、小填料的塔效率高,直径大效率低
压力降小
要求液相喷淋量较大
持液量小
制造与维修
造价比板式塔便宜
检修清理困难
可采用非金属材料制造
使用场合
处理强腐蚀性物料
液气比大
真空操作要求压力降小
二、塔设备任务书
简图与说明
比例
设计参数及要求
工作压力,MPa
0.02
塔体内径,mm
400
设计压力,MPa
0.03
塔高,mm
12200
工作温度,℃
103
设计寿命,年
20
设计温度,℃
150
浮阀(泡罩)规格/个数
介质名称
甲醇水
浮阀(泡罩)间距,mm
介质密度,kg/cm3
887.8
保温材料厚度,mm
100
传热面积,m2
保温材料密度,kg/cm3
300
基本风压,N/m2
500
塔盘上存留介质层高度,m
地震基本烈度
9
壳体材料
Q235-A
场地类型
Ⅱ
内件材料
塔形
裙座材料
塔板数目
11
偏心质量,kg
2000
塔板间距,m
0.5
偏心距,mm
腐蚀速率,mm/年
0.1
接管表
符号
公称尺寸DN
连接面方式
用途
公称尺寸,DN
a1,2
50
通风孔
g
32
突面
回流口
b1,2
温度计
h1-4
25
取样口
c
133
进气口
i1,2
液面计
d1,2
45
加料口
j
38
出料口
e1,2
压力计
f
152
排气口
三、塔设备计算
(一)选择塔体和裙座材料
由于设计压力P=0.05MPa(表压)属于低压分离设备,属于一类容器;
介质腐蚀性小,故选用Q235-A号钢材作为材料。
(二)计算筒体和封头壁厚
1.筒体壁厚
按强度条件,筒体所需厚度
式中:
-Q235A在温度为150℃时的许用应力,查表得为113MPa
-塔体焊缝系数,采用双面对接焊,局部无损探伤,查表得=0.85
C1-钢板壁厚负偏差,估计壁厚在8mm左右,查表得C1=0.8
C2-腐蚀裕量,为腐蚀速率设计年限=0.120=2mm
上述数值代入上式可得:
按刚度要求,取,考虑到此塔较高,安装地区风载荷较大,而塔的内径较小,故增加壁厚。
现假设塔体厚度,则假设的塔体有效厚度
圆整后,取,。
现采用标准的椭圆封头,其壁厚采用与筒体相同的壁厚,即。
(三)塔高计算:
由化工设计可知:
精镏段填料高度为4.2m,提镏段填料高度为3.5m,塔顶与回流段各为1m,塔底进气段为1m,裙座2m,因此总高为1+4.2+0.5+3.5+1+2=12.2m。
(四)塔设备质量载荷计算
1.塔体重量载荷计算
1)塔体重量载荷
2)内件重量载荷
查表可得填料单位重量载荷为7800N/m3,由工艺条件可知全塔填料高度为精镏段4.2m、提镏段3.5m。
筛板单位重量载荷为650N/m2,余隙系数=0.96,由此可得内件重量载荷:
=0.33+0.3=0.63kN
3)保温层重量载荷
保温材料厚度,密度为300Kg/m3
4)平台质量载荷
因该塔不适合于开人孔及手孔,故不使用平台。
5)物料重量载荷
由工艺条件可知:
塔高为12.2m,余隙系数=0.96,持液量a=0.3
Q4=0.50.7850.42×
12.2×
887.6×
9.81×
0.96×
0.3=1.92kN
6)裙座重量载荷
7)充水重量载荷
=1.532kN
8)附件重量载荷
估取
9)塔体操作时的重量载荷
QH=Q1+Q2+Q3+Q4+Q7=16.222kN
10)塔体与裙座操作时重量载荷
Q0=QH+Q5=17.832kN
11)全塔最大重量载荷(水压试验时塔的重量载荷最大)
Qmax=Q1+Q2+Q3+Q5+Q6+Q7=16.912kN
12)全塔最小重量载荷(设备安装时重量载荷最小)
Qmax=Q1+Q2+Q3+Q5+Q7=15.38kN
(五)风载荷与风弯矩计算
全塔高分3段计算,各段的风压由下式计算:
风压载荷在任意截面I–I上,引起的风弯矩可由下式计算:
段序
1
2
3
取值依据
段距
0~2
2~5
5~10
10~12.2
单位(m)
K1
0.7
K2
1.8
q0(Pa)
fi
0.78
1.0
1.15
【2】表A-6
hi(m)
5
1.5
计算段高度
K3(m)
K4(m)
平台数为0
Def(m)
0.618
Pi(N)
607.4
911.1
1946.7
671.6
危险截面取0-0,1-1截面,如图所示,危险截面上的风弯矩为:
(六)地震载荷与地震弯矩计算
塔的H/Di=12.2/0.4=30.5>
15,∴应按下式计算:
1.截面0-0地震弯矩可由下式计算:
对于圆筒直立设备,取C=0.5,Q0是设备操作总重载荷,Q0=16.85kN,据【2】表A-8可得,9级地震烈度则取αmax=0.9,对于Ⅱ类场地,则α=0.3αmax=0.27,由【1】图9-9可查得,,因此按下式计算:
又因为H/Di=12.2/0.4=30.5>
15,塔为柔性构件,验算时取
2.截面1-1地震弯矩可由下式计算
式中,h是1–1截面距地面高,h=2m,则:
MEH=14.09N·
m
MEH=1.25MEH=17.65N·
(七)偏心载荷与偏心弯矩计算
根据已知条件:
me=2000kg,e=0.5m
(八)最大弯矩计算
根据
同理可得
(九)塔体和裙座危险截面的强度和稳定性校核
塔体与裙座连接处为1-1截面为危险截面。
1.塔体危险截面(1-1)的各项轴向应力计算
2.塔体1-1截面抗压强度及轴向稳定性校验
查得Q235-A在150℃时的
因此塔底1-1截面满足抗压强度及轴向稳定条件。
3.塔底1-1截面的抗拉强度校核
故满足抗拉强度条件。
4.水压试验时的塔体强度校验
水压试验应力应满足下式:
取,塔体高度9.5m,取P‘=0.095MPa
试验水压
结论安全
充水后轴向应力的强度和稳定条件为:
取,,
故
上条件式引入各值:
上述各项校核表明,塔底厚度,可以满足整个塔体的强度、刚度及稳定性要求。
5.裙座强度及轴向稳定性校核
裙座危险截面取在座圈基底0-0截面
设裙座厚度,厚度附加量C=1mm,则裙座有效厚度
1)0-0截面的轴向应力计算
操作时全塔重量引起的压应力:
风载荷引起的0-0截面的弯曲应力:
2)裙座底部0-0截面的强度及轴向稳定性校核
裙座材料采用16Mn钢,查【1】表8-6得:
即裙座出现失稳前,材料已达到弹性极限,因此强度是主要制约因素。
因此满足强度及稳定性要求。
3)焊缝强度
此裙座与塔体采用对接焊,焊缝承受的组合拉应力为:
为焊缝材料在操作温度150℃的许用应力,从【1】表8-8查得
因此焊缝强度足够。
(一十)基础环设计
1.基础环内外径计算
外径
内径
混凝土基础强度校核
正常操作时
水压试验时
式中Ra=5.5MPa(查表得标号为100的混凝土许用应力),因此混凝土基础满足强度要求
结论:
所选用的Db0,Dbi可行
2.基础的厚度计算
采用n=16个均布的地脚螺栓,将基础环固定在地上,
基础环上筋板(设厚度)间的距离为:
基础环的外伸宽度为:
两筋板基础环部分的长宽比:
查表得:
基础环采用的Q235-A,
,其厚度为:
可取
(一十一)地脚螺栓计算
1.螺栓根径计算
风载时螺栓承受的最大应力为:
地震载荷作用时承受的最大应力:
取两者的较大值,故取
由于>
0,为拉应力,设备可能翻倒,必须安装地脚螺栓。
若材料选用16Mn取,则螺栓根径为
式中n为地脚螺栓数,即n=16。
查表选用M24的地脚螺栓。
2.螺栓座尺寸
据地脚螺栓公称直径,查表可得螺栓座尺寸如下:
d1=30mm,d2=36mm,
S1=24mm,S2=12mm,
h1=300mm,l=120mm,l1=170mm,
D1=Db0-130=716-130=586mm,
b=(Db0-Ds0)/2=(716-416)/2=150mm.。
四、计算结果表
名称
名义厚度δn(mm)
公称直径DN(mm)
材料
个数
筒体
8
封头
裙座
16Mn
基础环
28
外径:
716
内径:
116
地脚螺栓
24
16Mn
16
五、参考文献
[1]董大勤,化工设备机械基础,北京:
化学工业出版社,2003
[2]詹长福,化工设备机械基础课程设计指导书,北京:
机械工业出版社,1992
[3]蔡纪宁,张秋翔,化工设备机械基础课程设计指导书,北京:
化学工业出版社,2000
[4]贾绍义,柴诚敬,化工传质与分离过程,北京:
化学工业出版社,2001
六、符号表
单位
P
设计压力
MPa
裙座底部截面弯矩
N·
H
填料塔高度
M
裙座底部地震弯矩
Di
填料塔内径
Mm
塔体底部地震弯矩
C1
钢板厚度负偏差
mm
Mc
偏心弯矩
C2
腐蚀裕量
e
偏心距
δn
塔体名义厚度
Qc
偏心载荷
N
δe
塔体有效厚度
σi
轴向应力
Q
重量载荷
操作温度下材料许用应力
Ki
空气动力系数
操作温度下材料临界许用应力
li
σT
水压试验压力
高度变化系数
δns
裙座名义厚度
δsi
保温层厚度
δes
裙座有效厚度
q0
风压值
Pa
Db0
基础环外径
Pi
各段风压
Dbi
基础环内径
n
地脚螺栓个数
Ra
混凝土的许用应力
l
基础环的筋板间距
d1
螺栓根径
b
基础环的外伸宽度
r
莲蓬球面半径
α
倾角
°
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