塔设备机械设计

第一章 绪论1.1塔设备概述塔设备是石油、化工、轻工等各工业生产中仅次与换热设备的常见设备。在上述各工业生产过程中，常常需要将原料中间产物或粗产品中的各个组成部分（称为组分）分离出来作为产品或作为进一步生产的精制原料，如石油的分离、粗酒精的提纯等。这些生产过程称为物质分离过程或物质传递过程，有时还伴有传热和化学反应过程。传质过程是化学工程中一个重要的基本过程，通常采用蒸馏、吸收、萃取。以及吸附、离子交换、干燥等方法。相对应的设备又可称为蒸馏塔、吸收塔、萃取塔等。在塔设备中所进行的工艺过程虽然各不相同，但从传质的必要条件看，都要求在塔内有足够的时间和足够的空间进行接触，同时为提高传质效果，必须使物料的接触尽可能的密切，接触面积尽可能大。为此常在塔内设置各种结构形式的内件，以把气体和液体物料分散成许多细小的气泡和液滴。根据塔内的内件的不同，可将塔设备分为填料塔和板式塔。在板式塔中，塔内装有一定数量的塔盘，气体自塔底向上以鼓泡喷射的形式穿过塔盘上的液层，使两相密切接触，进行传质。两相的组分浓度沿塔高呈阶梯式变化。不论是填料塔还是板式塔，从设备设计角度看，其基本结构可以概括为：（1）塔体，包括圆筒、端盖和联接法兰等；（2）内件，指塔盘或填料及其支承装置；（3）支座，一般为裙式支座；（4）附件，包括人孔、进出料接管、各类仪表接管、液体和气体的分配装置，以及塔外的扶梯、平台、保温层等。塔体是塔设备的外壳。常见的塔体是由等直径、等壁厚的圆筒及上、下椭圆形封头所组成。随着装置的大型化，为了节省材料，也有用不等直径、不等壁厚的塔体。塔体除应满足工艺条件下的强度要求外，还应校核风力、地震、偏心等载荷作用下的强度和刚度，以及水压试验、吊装、运输、开停车情况下的强度和刚度。另外对塔体安装的不垂直度和弯曲度也有一定的要求。支座是塔体的支承并与基础连接的部分，一般采用裙座。其高度视附属设备（如再沸器、泵等）及管道布置而定。它承受各种情况下的全塔重量，以及风力、地震等载荷，因此，应有足够的强度和刚度。塔设备强度计算的主要的内容是塔体和支座的强度和刚度计算。化工生产对塔设备的基本要求塔设备设计除应满足工艺要求外，尚需考虑下列基本要求：（1）气、液处理量大，接触充分，效率高，流体流动阻力小。（2）操作弹性大，即当塔的负荷变动大时，塔的操作仍然稳定，效率变化不大，且塔设备能长期稳定运行。（3）结构简单可靠，制造安装容易，成本低。（4）不易堵塞，易于操作、调试及检修。1.2板式塔板式塔具有物料处理量大，重量轻，清理检修方便，操作稳定性好等优点，且便于满足工艺上的特殊要求，如中间加热或或冷却、多段取出不同馏分、“液化气”较大等。但板式塔的结构复杂，成本较高。由于板式塔良好的操作的性能和成熟的使用经验，目前在化工生产的塔设备中，占有很大比例，广泛用于蒸馏、吸收等传质过程。板式塔内部装有塔盘，塔体上有进料口、产品抽出口以及回流口等。此外，还有很多附属装置，如除沫器、入手孔、支座、扶梯平台等。一般各层塔盘结构是相同的，只有最高一层、最低一层和进料层的结构和塔盘间距有所不同。最高一层塔盘和塔顶之间，要有一定的距离，以便能良好的除沫。有时，在该段上还装有除沫器。最低一层塔盘到塔顶的距离一般也高于塔盘间距离，因为塔底空间起着贮槽作用，以保证液体有足够的贮存，使塔底液体不致流空。塔底大多是直接通入从塔外再沸器来的蒸汽，有时则以列管或蛇管将塔底的液体加热汽化。进料塔盘的间距也比较高。对于急剧汽化的料液在进料塔底上须装上挡板、衬板或除沫器，此时进料塔盘间距还得更高一些。此外，开有人孔的塔盘间距也较大，一般为700mm。为了塔体的保温，在塔体上有时焊有保温材料的支承圈。为检修方便，有时还在塔顶装有可转动的吊柱。可见，板式塔与填料塔的区别仅在于内部结构不同。对于板式塔来说，内部的主要结构是塔盘结构，包括塔板、降液管及受液盘、溢流堰、紧固件和支撑件等。1.3浮阀塔浮阀塔从五十年代起已大量应用于工业生产用以完成加压、常压、减压下的精馏、吸收、解析等过程。大型浮阀塔的塔径可达10m，塔高达83m，塔板有数百块之多。浮阀塔的塔板上，按一定中心距开阀孔，阀孔里装有可以升降的阀片。浮阀能随着气速的增减在相当宽的气速范围内自由升降，以保持稳定操作。因此浮阀塔能在较宽的流量范围内保持高效率，其操作弹性比筛板、泡罩和舌形塔盘大得多；由于气液接触状态良好，且蒸汽以水平方向吹入液层，故雾沫夹带较少，塔板效率比泡罩塔高15%左右；由于气流通过浮阀只有一次收缩、扩大及转弯，故单板压力降比泡罩塔低；浮阀形状简单，液面落差小；由于阀盘大多用不锈钢制造，加之浮阀不停的浮动，所以不易积垢堵塞，故操作周期较泡罩塔长，清理也节省时间；另外。其结构比较简单，安装容易，制造费仅为泡罩塔的60%80%，（但为筛板塔的120%130%）。1.4原油的分馏石油是由超过8000种不同分子大小的碳氢化合物（及少量硫化合物）所组成的混合物。石油在使用前必须经过加工处理，才能制成适合各种用途的石油产品。常见的处理方法为分馏法，利用分子大小不同，沸点不同的原理，将石油中的碳氢化合物予以分离，再以化学处理方法提高产品的价值。工业上先将石油加热至400500之间，使其变成蒸气后输进分馏塔。在分馏塔中，位置愈高，温度愈低。石油蒸气在上升途中会逐步液化，冷却及凝结成液体馏分。分子较小、沸点较低的气态馏分则慢慢地沿塔上升，在塔的高层凝结，例如燃料气、液化石油气、轻油、煤油 等。分子较大、沸点较高的液态馏分在塔底凝结，例如柴油、润滑油及蜡等。在塔底留下的黏滞残余物为沥青及重油，可作为焦化和制取沥青的原料或作为锅炉燃料。不同馏分在各层收集起来，经过导管输离分馏塔。这些分馏产物便是石油化学原料，可再制成许多的化学品。1.5 设计任务和思想1.5.1.设计任务设计课题为浮阀塔，设计包括结构设计和强度设计。结构设计需要选择适用合理、经济的结构形式，同时满足制造、检修、装配、运输和维修等要求；而强度计算的内容包括浮阀塔的材料，确定壁厚和要结构尺寸，满足强度、刚度和稳定性等要求。1.5.2 .设计思想 尽可能采用先进的技术、国家与行业标准，使生产达到技术先进，经济合理的要求，符合优质、高产、安全、低消耗的原则，具体有如下几点： 1) 根据GB150-1998钢制压力容器和GB151-1999管壳式浮阀塔等国家标准为基础进行设计。 2）满足工艺和操作要求，所设计出来的流程和设备能保证得到质量稳定的产品，设计的流程与设备需要一定的操作弹性，可方便地进行流量的调节。 3）满足经济上的要求，考虑省热能和电能的消耗，设备投资与运行费用，设计时要全面考虑，力求总费用尽可能低一些。 4）保证生产安全，保证浮阀塔具有一定的刚度和强度。设计中根据设计压力确定壁厚,再校核其他零件的强度,进行水压试验，容器是否有足够的腐蚀裕度。第二章 浮阀塔的主体结构设计浮阀塔的总体结构如图2-1所示 图2-1 浮阀塔的总体结构图浮阀塔由塔体、内件、及支座等部件组成，如图1、图2所示。塔体由钢板焊接。为了满足工艺要求及制造安装的需要，在塔体上设有许多的零部件及接管，如液面计、入孔、手孔、进料管、进气管、出料管、回流管、产品抽样管以及安装温度计及压力表的接管等。为了安装、检修及操作，在塔体上还装有吊柱、平台及扶梯。为了安装保温材料，在塔底上焊有一定数量的支撑圈。浮阀塔采用裙座支承。板式塔内件主要包括塔盘、降液管、受液管、除沫器等。各层塔盘间距相等。但是底层塔盘到塔底的距离（塔底空间）一般比塔底空间要高得多，因为它起着贮槽的作用，使塔底液体不致流空。顶层塔板到塔顶的距离（塔顶空间）也较大，一般取1.2-1.5m，目的是减少塔顶排气中携带的液体量。为了更好的分离气体中携带的液体以提高产品质量，还在塔顶设置除沫装置。进料段空间高度取决于进料介质的状态，因为为液相进料，取为与塔板间距相同。此外，在开入孔处的塔盘间距要考虑人员进入的需要，设为700mm。裙座高度由工艺配置决定。第三章 材料选择及零部件结构设计3.1 浮阀塔的材料选择塔设备与其他化工设备一样，置于室外，无框架的自支承式塔体，绝大多数是采用钢材制造的。这是因为钢材具有足够的强度和塑性，制造性能较好，设计制造的经验也较成熟。本设计的浮阀塔的塔径不大，主要的材料选用钢材。为了满足腐蚀性介质或低温要求，采用有色金属材料（如钛、铝、铜、银等）或非金属耐腐蚀材料。浮阀塔的塔盘以及浮阀，由于结构较为复杂，加之安装工艺和使用方面的要求，（如浮阀应能自由浮动），所以以钢材为主，其他材料为辅。3.2浮阀塔的零部件结构设计3.2.1 浮阀塔盘的结构设计塔盘分为整块式和分块式两种。当塔径小于900mm时采用整块式塔盘；当塔径大于800mm时，由于人能在塔内安装、拆卸，可采用分块式塔盘；根据本设计的条件，塔径为1600mm，故采用分块式塔盘。采用分块式塔盘时，为便于安装、检修、清洗，常将塔板分成数块，通过人孔送入塔内，装在焊于塔体内壁的塔盘支撑件上。此时，塔体为一焊制整体圆筒，不分塔节。分块式塔盘一般采用自身梁式塔板，他的特点是结构简单，制造方便，由于将塔板冲压折边，使其具有足够的刚性，这样不仅简化了塔盘结构，而且可以节约材料。为进行塔内清洗和检修，使人能进入各层塔盘，可在塔板接近中央处设置一块内部通道板。又因在一般情况下，塔体设有两个以上的人孔，人可以从上面或下面进入，故通道板应是上、下均可拆的。3.2.2裙座的结构设计 为了制作方便，裙座一般选用圆筒形。裙座与塔体的连接采用焊接，焊接接头采用对接型式。裙座筒体与塔釜封头的外径相等，裙座筒体与塔釜封头的连接焊缝采用全焊透的连续焊，且与塔釜封头外壁圆滑过渡。3.3浮阀塔其他零部件结构设计3.3.1降液管及受液盘（1）降液管降液管一般分为圆形和弓形两种，圆形降液管通常在液体负荷或塔径较小时使用，可采用一根或数根圆形或长圆形降液管。为了增加溢流周边，并提供足够的分离空间，可在降液管前方设置溢流堰，也可将圆形降液管伸出塔盘表面兼做溢流堰，如上图3-1根据本设计的条件，选用圆形降液管。图3-1 凹形受液盘1-塔壁；2-降液板；3-塔板；4-受液盘；5-支座为防止气体从降液管底部窜入，降液管必须有一定的液封高度。降液管底端到下层塔盘受液盘的间距应低于溢流堰高度，通常取，本设计取。降液管的尺寸，应该使夹带气泡的液流进入降液管后，能分离出气泡，从而仅有清流流往下层塔盘。（2）受液盘为保证降液管出口处的液封，在塔盘上设置受液盘。受液盘有平形和凹形两种。对于易聚合的物料，为避免在塔盘上形成死角，应采用平形受液盘。当液体通过降液管与受液盘的压力降大于250Pa时，应采用凹形受液盘，如上图图3-1所示。凹形受液盘对液体流向有缓冲作用，可降低塔盘人口的液封，使得液流平稳，有利于塔盘人口区更好地鼓泡。凹形受液盘的深度一般大于50mm，但不能超过塔板间距的1/3，否则须加大塔板间距。根据本设计的条件，选用凹形受液盘。在塔或塔段最低一层塔盘的降液管末端应设液封盘，以保证降液管出口处的液封。用于弓形降液管的液封盘液封盘上应开设泪孔，供停工时排液。3.3.3其他附属装置（1）进料口对于液体进料，直接引入加料板。板上有进口堰，使液体能均匀的通过塔板，并且可以避免由于进料泵及控制阀所引起的波动的影响。图3-10为液态进料常用的可拆接管型式。 (2)出料口常用的塔底出料接管见图3-2。图3-2 液体进料口一般在出料管端部装有防涡挡板，以防止液体造成漩涡而将气体夹带至出料泵。塔顶气体引出管的直径不宜过小，以减少压降，并避免夹带液滴。在塔顶设置除沫器。（3）人孔、手孔及其他由于塔体采用分块式塔盘结构，开设人孔。可在在塔高6000mm处设一人孔。在塔顶和塔顶另各设一人孔。人孔或手孔的布置应与降液管错开，保证人员能顺利出入。人孔开在塔壁的同一经线面内，方便装拆和作业。在塔体上采用回转盖人孔，因为有保温要求。在操作平台处，人孔中心高度一般比操作平台高8001000mm。人孔中心离中心离塔内可站立内件的高度超过1000mm时，在塔壁内部应设置用直径1822园钢制成的把手或爬梯。第四章 强度计算与校核4.1浮阀塔的设计参数表4-1 浮阀塔的设计参数如下浮阀塔的设计参数 最高工作压力/MPa0.05介质密度kg/m3972工作温度t/140安装地区辽宁地区设计压力/MPa0.15地震烈度8级设计温度t/150场地类型腐蚀速率0.15年/mm塔板数20偏心质量/kg2300塔内径/mm1800 偏心距/mm530塔板上存留介质高度/mm100保温材料密度/mm300保温材料厚度/mm1104.2按计算压力计算塔体和封头厚度4.2.1.塔体厚度计算 考虑厚度附加量C=3.3mm，经圆整后取n=10mm。4.2.2封头厚度计算考虑厚度附加量C=3.3mm，经圆整后取n=10mm。4.3塔设备质量载荷计算4.3.1.筒体圆筒、封头、裙座质量圆筒质量： 封头质量： m2 =2972=594kg 裙座质量： 说明：（1）塔体总高(不包括封头和裙座）：H=10.75 （2） 查的DN1800mm，厚度10mm的椭圆形封头质量为297kg/个（封头曲面深度450mm，直边高度40mm）； （4）裙座高度2000mm，厚度按10mm计。4.3.1.塔内构件质量 m02=（浮阀塔盘质量75）4.3.2保温层质量 其中，为封头保温层的质量其保温层外容积为椭圆封头的曲面方程为 所以其壳体外容积为4.3.3.平台、扶梯质量说明：由表8-1查得平台单位面积质量，笼式扶梯单位长度质量；笼式扶梯总高HF=19m，平台数量为4。4.3.4.操作时物料质量说明：物料密度=972kg/m3，封头内容积Vf=0.865m3，塔釜圆筒部分深度，塔板数N=20，塔板上液层高度。4.3.5. 附件质量按经验取附件质量为4.3.6.充水质量为 其中4.3.7.各种质量载荷汇总（1）塔体操作时的质量： （2） 塔体与裙座操作时的质量： （3）塔设备的最大质量为：（4）塔设备的最小质量为： 4.4风载荷与风弯矩计算4.4.1.风载荷计算式中：体形系数，对圆筒形容器，10m高处基本风压值，q0=4510-5MPaf1风压高度变化系数 f1值如下：6.410m段 L1=10-6.4=3.6m 查表f1=0.9 1018.4m段 L2=18.4-10=8.4m 查表f2=1.15计算段长度塔的有效直径。设笼式扶梯与塔顶管线成90，取下a、b中较大者。，Dei=1820+2110+400+400=2840塔体各段风力：4.4.2.风弯矩计算裙座底部（00截面）弯矩： =727428002376.5(56007000)=50106Nmm塔底部（H面）弯矩： =478218001425936004200=119.83106Nmm4.5地震载荷计算 取第一振型阻尼比为则衰减指数0.8772s塔的总高度 H=1400mm全塔操作质量 23384kg，重力加速度 地震影响系数由表8-2查的（设防烈度8级） 由表8-3查的计算截面距地面高度h：0-0截面：h=0，1-1截面：h=2000mm等直径、等厚度的塔，按下列方法计算地震弯矩。0-0截面： 1-1截面： 4.6偏心弯矩计算4.7塔体的强度及轴向稳定性校核4.7.1.塔底危险截面的各项轴应力计算其中4.7.2.塔底1-1截面抗压强度及轴向稳定性校核 1-1截面： 由于140MPa因此塔1-1截面满足抗拉强度轴向稳定条件。4.7.3.塔底1-1截面抗拉强度校核 故满足抗拉强度条件上述各项校核表面：塔体厚度，可满足塔体强度、刚度及稳定性要求4.8裙座的强度及稳定性计算设裙座厚度附件厚度C=1，则裙座有效厚度4.8.1.裙座底部0-0截面轴向应力计算 裙座的有效厚度风载荷引起0-0截面弯曲应力4.8.2.裙座底部0-0截面弯曲应力 裙座材料采用A3钢而即裙座出现失稳之前材料已达到弹性极限，因此强度是主要的约束因素。因此满足强度及稳定性要求。4.9焊接强度此塔裙座与塔体采用对接焊，焊缝承受的组合拉应力 表4-1各危险截面强度与稳定校核汇总项目计算危险截面0-01-1塔体与裙座有效厚mm1010截面以上操作质量/kg4507644183计算截面面积截面的抗弯截面系数最大弯矩最大允许轴向拉应力-119最大允许压应力113140180173计算压力引起的向拉应力00操作质量引起的向压应力8.684.05最大弯矩引起的轴向应力2.184.71最大组合轴向拉应力-最大组合轴向压应力11.48.76强度与稳定校核强度稳定性满足稳定性条件4.9塔体水压试验和吊装时的应力校核4.9.1.筒体水压试验时各种载荷引起的应力(1)由试验压力和液柱静压力引起的环向应力 (2)由试验压力引起的轴向拉应力(3)最大质量引起的轴向压应力(4)由弯矩引起的轴向应力4.9.2.水压试验应力校核(1)筒体环向应力校核因为，故满足要求。(2)最大组合轴向拉应力校核 许用应力：因为，故满足要求。(3)最大组合轴向压应力校核轴向许用压应力 取其中较小值。, 取。因为，故满足要求。4.10基础环设计4.10.1基础环尺寸取 图4-1基础环尺寸图4.10.2.基础环的应力校核取其中较大值，(1)(2) 取选用75号混凝土，其许用应力，故满足要求。4.10.3.基础环厚度按有筋板时，计算基础环的厚度。 设地脚螺栓直径为M42，由表8-11查得l=160mm，则b/l=150/309=0.485，由表8-10查得 取，基础环材料采用A3钢其厚度为，取。4.11地脚螺栓计算4.11.1.地脚螺栓承受的最大拉应力取其中较大值，其中， 取其中较大值，4.11.2.地脚螺栓的螺纹小径因为，故此塔设备必须安装地脚螺栓。选取螺栓材料16MnR，螺栓个数为n=20，C=3mm。 取地脚螺栓为M24。由表8-12查得M42的螺纹小径d=20.75mm，故选用20个M24的地脚螺栓，满足要求。4.12筒体与封头联接法兰的选取4.12.1.法兰选型 根据筒体内径，计算压力，温度150，查表6-2，确定法兰结构为乙型平焊法兰，查附录12选取材料16Mn，公称压力PN=0.6Mpa。 查相关手册得法兰基本数据：D=1930mm，D1=1890mm，D2=1855mm，D3=1841mm，D4=18387m 螺纹孔直径d=23mm，法兰厚度b=56mm4.12.2.螺栓选型 根据公称直径DN=1800mm，查附录13-3，得螺柱材料为40MnVB，查表6-6得，螺母材料为40Mn。4.12.3.垫片选型 压紧密封面选取平面密封面，选用缠绕型垫片，D=1878mm，d=1825mm，垫片种类为石棉式石墨填充带。塔的机械设计塔的名义壁厚筒体，封头，裙座塔的载荷及其弯矩质量载荷风弯矩地震弯矩基础环设计基础环尺寸基础环的应力校核满足要求地脚螺栓设计直径M24，个数20个表4-2塔的机械设计结果主要符号说明裙座人孔处截面的面积，裙座人孔处截面的抗弯截面系数，裙座壳底部内直径， 裙座壳有效壁厚，裙座人孔截面处裙座壳的内直径，裙座人孔截面处水平方向的最大宽度，人孔或较大管线引出孔加强管的长度，人孔或较大管线引出孔加强管的厚度，塔计算段的有效直径，基础环内直径，基础环外直径，裙座大端外直径，E设计温度下材料的弹性模量，风压高度变化系数H塔的总高度，塔第i段顶截面距地面的高度，塔第i-i截面处的地震弯矩，塔第i-i截面处的最大弯矩，塔第i-i截面处的风弯矩，塔的最大质量，塔的最小质量，塔的操作质量，计算截面以上的操作质量，计算压力，塔i-i计算段的水平风力，基本风压值，塔的基本自振周期，对应的地震影响系数地震影响系数的最大值管线保温层厚度，脉动增大系数脉动影响系数由计算压力引起的轴向应力，由重力引起的轴向应力，设计温度下筒体材料的许用应力，设计温度下材料的许用轴向压应力，设计温度下裙座材料的许用应力，振型系数第五章 心得体会 三周的课设转眼即逝，虽然时间短暂，但收获的知识却很丰厚。本次过程设备设计的课设，我的设计题目是塔设备的机械设计，塔设备是最常见的化工设备之一，可用于精馏分离。再结合化工原理课程设计的内容，我们可以通过设备的工作要求计算出塔设备的基本尺寸、材料选型、强度校核、及其附属设备的选择校核等。这对我们充分的理解塔设备的结构、工作原理、性能等提供了很大的帮助。本次课设我们还绘制了塔设备的装配图和塔盘部件图，对于如何布置塔设备内各个管口、人孔、仪表有了深入的了解。补充了课堂上所学的基础知识，在实践中温故而知新。感谢老师们的耐心辅导和帮助！参考文献1路秀林，王者相. 化工设备设计全书塔设备M. 北京：化学工业出版社，2004.2陈作模. 机械原理M. 北京：高等教育出版社，2004.3 刁玉玮，王立业. 化工设备机械基础M. 大连：大连理工大学出版社，2005.4 匡国柱，史启才. 化工单元过程及设备课程设计M. 北京：化学工业出版社，2005.5 董大勤. 化工设备机械基础M.化学工业出版社，2004。33