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1、甲醇水分离塔设计摘要 筛板塔是传质过程常用的塔设备，它的主要优点有： 结构比浮阀塔更简单，易于加工，造价约为泡罩塔的60，为浮阀塔的80左右。 处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加1015。 塔板效率高，比泡罩塔高15左右。 压降较低，每板压力比泡罩塔约低30左右。虽然筛板塔有： 塔板安装的水平度要求较高，否则气液接触不匀。 操作弹性较小(约23)。 小孔筛板容易堵塞等缺点。但它由于具有前述的一些优点，因而在化工，石油，能源等行业的应用中仍处于板式塔应用的主导地位。本次论文以介质的性质、温度和压强，以及公称直径和当地自然环境为设计条件，综合考虑各方面的因素选定板式筛板塔，具体步骤主要包括壳体、封
2、头壁厚的设计与较核，基础环板，裙座等零部件的设计，同时结合所选定的材料和工作环境制定相应的焊接工艺和制作、组装和加工工艺。关键词 筛板塔；塔盘；降液管 Abstract The sieve-plate column is commonly used in mass transfer tower equipment, its main advantages: structural valve tower more than a simple, easy processing, and cost about 60% of bubble tower, tower float valve for ab
3、out 80% . processing capacity, than the diameter of the blister with tower 10 15% increase. tray efficiency higher than that Blister tower about 15% higher. lower pressure drop per plate bubble tower pressure than about 30%. Although the sieve-plate column are: tray installation require a higher deg
4、ree level, or gas-liquid contact with uneven. Operating flexibility small (about 2 3). small plate, such as easy to plug the shortcomings. But it is because of some of the advantages mentioned above, which in the chemical, petroleum, energy and other industries are still in the application of the ap
5、plication tray column dominance. The thesis of the nature of media, temperature and pressure, as well as the nominal diameter for the design of the natural environment and local conditions, concrete steps to include the shell, head of design and wall thickness more nuclear, based on the Central boar
6、d, and other parts of the skirt design, combined with selected materials and the working environment to develop the corresponding welding technology and production, assembly and processing technology. Key words sieve-plate column; tray; downcomer目录甲醇水分离塔设计.I摘要I关键词IAbstractII目录.III第一章 概述.11.1板式精馏塔的简介
7、.11.2板式精馏技术及发展4第二章塔结构设计.52.1塔设计内容52.1.1设计参数52.1.2塔结构简图52.2主体材料强度指标72.3筒体、封头壁厚确定72.3.1筒体厚度计算72.3.2封头厚度计算72.4塔体上各项载荷计算82.4.1塔质量82.4.2风载荷和风弯矩计算92.4.3地震力及地震弯矩计算112.4.4最大弯矩132.5塔体的强度及轴向稳定性验算142.5.1塔体2-2截面的各项轴向应力计算142.5.2塔体2-2截面抗压强度及轴向稳定性验算142.6裙座的强度及稳定性校核152.6.1裙座底部0-0截面轴向应力计算152.6.2裙座检查孔1-1截面强度校核152.6.3
8、裙座焊缝强度校核162.7压试验时塔的强度和稳定性验算162.7.1水压试验时塔体2-2截面的强度校核162.7.2水压试验时裙座底部0-0截面的强度和轴向稳定性校核172.8基础环板设计172.8.1基础环板内外径的确定172.8.2混泥土强度校核172.8.3基础环板厚度设计182.8.4地脚螺栓的设计192.8.5筋板的设计与计算202.8.6盖板的设计和计算212.9开孔及开孔补强222.9.1工艺水进口N03开孔及开孔补强222.9.2贫甲醇进口N07开孔及开孔补强242.9.3工艺水出口N02开孔及开孔补强262.9.4人孔开孔及其开孔补强282.10接管和法兰的选用31第三章 甲
9、醇水分离塔辅助装置以及附件323.1回流冷凝器323.1.1整体式323.1.2自流式323.1.3强制循环式333.2管壳式换热器的设计与选型333.2.1流体流动阻力（压强降）的计算333.2.2管壳式换热器的选型343.3再沸器353.4加热蒸气鼓泡管363.5离心泵的选择37第四章 塔设备的制造、安装.384.1制造要求384.2组装要求384.3焊接及其特点394.4热处理404.5大型塔设备的安装40设计总结.42致谢.44参考文献.45附录I 主要符号说明46第一章 概述1.1板式精馏塔的简介塔器在石油化工行业中具有广泛的应用。从原料的精制，中间产物的分离，到产品的提纯和废水、废
10、气的处理都有赖于化工分离技术和化工塔器。由于分离过程是耗能过程，设备数量多，规模大，对工业生产的技术经济指标起着重要的作用。精馏塔是进行精馏的一种塔式汽液接触装置，又称为蒸馏塔。有板式塔与填料塔两种主要类型。根据操作方式又可分为连续精馏塔与间歇精馏塔。蒸气由塔底进入，与下降液进行逆流接触，两相接触中，下降液中的易挥发(低沸点)组分不断地向蒸气中转移，蒸气中的难挥发(高沸点)组分不断地向下降液中转移，蒸气愈接近塔顶，其易挥发组分浓度愈高，而下降液愈接近塔底，其难挥发组分则愈富集，达到组分分离的目的。由塔顶上升的蒸气进入冷凝器，冷凝的液体的一部分作为回流液返回塔顶进入精馏塔中，其余的部分则作为馏出
11、液取出。塔底流出的液体，其中的一部分送入再沸器，热蒸发后，蒸气返回塔中，另一部分液体作为釜残液取出。气液传质设备主要分为板式塔和填料塔两大类。精馏操作既可采用板式塔，也可采用填料塔，本设计是板式塔，所以将只介绍板式塔板式塔是一类用于气液或液液系统的分级接触传质设备，由圆筒形塔体和按一定间距水平装置在塔内的若干塔板组成。广泛应用于精馏和吸收,有些类型（如筛板塔）也用于萃取，还可作为反应器用于气液相反应过程。操作时（以气液系统为例），液体在重力作用下,自上而下依次流过各层塔板,至塔底排出；气体在压力差推动下，自下而上依次穿过各层塔板，至塔顶排出。每块塔板上保持着一定深度的液层，气体通过塔板分散到液
12、层中去，进行相际接触传质。 工业上最早出现的板式塔是筛板塔和泡罩塔。筛板塔出现于1830年，很长一段时间内被认为难以操作而未得到重视。泡罩塔结构复杂，但容易操作，自1854年应用于工业生产以后，很快得到推广，直到20世纪50年代初，它始终处于主导地位。第二次世界大战后，炼油和化学工业发展迅速，泡罩塔结构复杂、造价高的缺点日益突出，而结构简单的筛板塔重新受到重视。通过大量的实验研究和工业实践，逐步掌握了筛板塔的操作规律和正确设计方法，还开发了大孔径筛板，解决了筛孔容易堵塞的问题。因此，50年代起，筛板塔迅速发展成为工业上广泛应用的塔型。与此同时，还出现了浮阀塔，它操作容易，结构也比较简单，同样得
13、到了广泛应用。而泡罩塔的应用则日益减少，除特殊场合外，已不再新建。60年代以后,石油化工的生产规模不断扩大,大型塔的直径已超过10m。为满足设备大型化及有关分离操作所提出的各种要求，新型塔板不断出现，已有数十种。 塔板又称塔盘，是板式塔中气液两相接触传质的部位，决定塔的操作性能，通常主要由以下三部分组成： 气体通道为保证气液两相充分接触，塔板上均匀地开有一定数量的通道供气体自下而上穿过板上的液层。气体通道的形式很多，它对塔板性能有决定性影响，也是区别塔板类型的主要标志。筛板塔塔板的气体通道最简单，只是在塔板上均匀地开设许多小孔（通称筛孔）,气体穿过筛孔上升并分散到液层中（图2）。泡罩塔塔板的气
14、体通道最复杂，它是在塔板上开有若干较大的圆孔，孔上接有升气管，升气管上覆盖分散气体的泡罩（图3）。浮阀塔塔板则直接在圆孔上盖以可浮动的阀片,根据气体的流量,阀片自行调节开度（图4）。 溢流堰为保证气液两相在塔板上形成足够的相际传质表面,塔板上须保持一定深度的液层，为此,在塔板的出口端设置溢流堰。塔板上液层高度在很大程度上由堰高决定。对于大型塔板，为保证液流均布，还在塔板的进口端设置进口堰。 降液管液体自上层塔板流至下层塔板的通道，也是气（汽）体与液体分离的部位。为此，降液管中必须有足够的空间，让液体有所需的停留时间。此外，还有一类无溢流塔板，塔板上不设降液管，仅是块均匀开设筛孔或缝隙的圆形筛板
15、。操作时，板上液体随机地经某些筛孔流下，而气体则穿过另一些筛孔上升。无溢流塔板虽然结构简单，造价低廉，板面利用率高，但操作弹性太小，板效率较低，故应用不广。操作特性： 各种塔板只有在一定的气液流量范围内操作，才能保证气液两相有效接触，从而得到较好的传质效果。可用塔板负荷性能图(图5)来表示塔板正常操作时气液流量的范围，图中的几条边线所表示的气液流量限度为：漏液线。气体流量低于此限时，液体经开孔大量泄漏。过量雾沫夹带线。气体流量高于此限时，雾沫夹带量超过允许值，会使板效率显著下降。液流下限线。若液体流量过小，则溢流堰上的液层高度不足，会影响液流的均匀分布，致使板效率降低。液流上限线。液体流量太大
16、时，液体在降液管内停留时间过短,液相夹带的气泡来不及分离,会造成气相返混，板效率降低。液泛线。气液流量超过此线时，引起降液管液泛，使塔的正常操作受到破坏。如果塔板的正常操作范围大，对气液负荷变化的适应性好，就称这些塔板的操作弹性大。浮阀塔和泡罩塔的操作弹性较大，筛板塔稍差。这三种塔型在正常范围内操作的板效率大致相同。 工业要求： 气(汽)、液处理量大，即生产能力大时，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液或液泛等破坏操作的现象。 操作稳定，弹性大，即当塔设备的气(汽)、液负荷有较大范围的变动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定的操作并应保证长期连续操作所必须具有的可靠性。 流体流动的阻力小，即流体流经塔
17、设备的压力降小，这将大大节省动力消耗，从而降低操作费用。对于减压精馏操作，过大的压力降还将使整个系统无法维持必要的真空度，最终破坏物系的操作。 结构简单，材料耗用量小，制造和安装容易。 耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。 塔内的滞留量要小。 实际上，任何塔设备都难以满足上述所有要求，况且上述要求中有些也是互相矛盾的。不同的塔型各有某些独特的优点，设计时应根据物系性质和具体要求，抓住主要矛盾，进行选型。 气液传质设备主要分为板式塔和填料塔两大类。精馏操作既可采用板式塔，也可采用填料塔，板式塔为逐级接触型气液传质设备，其种类繁多，根据塔板上气液接触元件的不同，可分为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、穿
18、流多孔板塔、舌形塔、浮动舌形塔和浮动喷射塔等多种。板式塔在工业上最早使用的是泡罩塔(1813年)、筛板塔(1832年)，其后，特别是在本世纪五十年代以后，随着石油、化学工业生产的迅速发展，相继出现了大批新型塔板，如S型板、浮阀塔板、多降液管筛板、舌形塔板、穿流式波纹塔板、浮动喷射塔板及角钢塔板等。目前从国内外实际使用情况看，主要的塔板类型为浮阀塔、筛板塔及泡罩塔，而前两者使用尤为广泛。 筛板塔是传质过程常用的塔设备，它的主要优点有： 结构比浮阀塔更简单，易于加工，造价约为泡罩塔的60，为浮阀塔的80左右。 处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加1015。 塔板效率高，比泡罩塔高15左右。 压降较低
19、，每板压力比泡罩塔约低30左右。 筛板塔的缺点是： 塔板安装的水平度要求较高，否则气液接触不匀。 操作弹性较小(约23)。 小孔筛板容易堵塞。1.2板式精馏技术及发展在石油化学工业领域,塔设备几乎应用于所有的装置中,如原油常减压装置,以及化肥和乙烯裂解装置等。塔器在各种分离过程中对装置的平稳运行、保证产品质量等方面起着重要作用。塔设备的类型较多,按照两相接触的基本构件可分为2类:板式塔和填料塔。统计表明,石油化工企业塔设备中板式塔占92 %。板式塔属逐级逆流接触操作的单元设备,塔内件是以塔板作为两相接触的基本构件。塔板可以分为有降液管和无降液管的2种。在有降液管的塔板上,两相流动方向垂直,属错
20、流型接触;在无降液管的塔板上,两相流动方向互相平行,属逆流型接触。随着科学技术的进步,各种形式的高效塔板不断地被开发出来并应用于石油化学工业领域。第二章 塔结构设计2.1塔设计内容2.1.1设计参数操作压力MPa 0.278介质 水，甲醇设计压力MPa 0.5/-0.1介质特性易燃 中度危害操作温度 99/141.38压力容器类别 一类（D1）设计温度 -10/170地震基本烈度 7（0.1g）设计风压N/ 400地震分组 第一组焊接接头系数 0.85场土地类别 壳体材料 16MnR场地土粗糙类别 B裙座材料 组合件保温层材料与厚度mm 岩棉/90腐蚀裕量mm 3水压试验压力MPa 0.625
21、2.1.2塔结构简图 2.2主体材料强度指标 该设备属于钢制塔式容器，最高设计压力0.5MPa，属于低压容器，全容积为33.4m3，其最高工作温度为170，筒体和封头选用16MnR材料，裙座选用Q235B。对于16MnR，其在170时强度指标为 t=170MPa。对于Q235B其在170时强度指标为 t=113MPa。2.3筒体、封头壁厚确定2.3.1筒体厚度计算 按强度条件 = 按刚度要求 筒体所需最小厚度 故按刚度要求，筒体厚度只需。因为此塔高度较大，受到的风载荷也较大，而塔内径不太大，故应适当增加壁厚，现选取塔体名义厚度2.3.2封头厚度计算本封头采用标准椭圆形封头，则 为了便于焊接，取
22、封头厚度与筒体厚度相同，故封头名义厚度，有效厚度。2.4塔体上各项载荷计算2.4.1塔质量、壳体及裙座质量 、人孔、法兰、接孔等附件质量、内构件质量、保温层质量 、扶梯、平台质量选用笼式扶梯，扶梯单位质量为40kg/m。操作平台每6米设置一层，共5层，每层质量500kg。 、操作是塔内物料质量 、冲水质量 、塔器的操作质量 、塔器最大质量 、塔器最小质量 2.4.2风载荷和风弯矩计算已知当地风压，将此塔沿高度分成三段。风载荷，式中 ； ；对于010m段：1020m段: 2030m段： 塔体有效直径：扶梯附加宽度取 为了简化计算且偏安全计，各段均取。=1324+2100+400+600=2524
23、mm. 塔体各段风力： 010m段：0.71.74001.00102.524=12014N， 1020m段：0.71.74001.25102.524=15018N， 2030m段：0.71.74001.42102.524=17060N。塔体底部离地面5米处（2-2截面）弯矩:= 式中 -塔底2-2截面到标高10m处的距离，=10-5=5m=5000mm -对应于段的风力。 裙座检查孔（离地面800mm）处（1-1截面）弯矩： 裙座底部（0-0截面）弯矩： 式中 2.4.3地震力及地震弯矩计算表1 场地土的特性周期：设计地震分组 场土地类型 第一组 0.25 0.35 0.45 0.65第二组
24、0.30 0.40 0.55 0.75第三组 0.35 0.45 0.65 0.90表2 地震影响系数的最大值：设防烈度 7 8 9 0.08 （0.12） 0.16 （0.24） 0.32注：括号中数值分别用于GB50011-2001中规定的设计基本加速度为0.15g和0.3g的地区所以，=0.08，=0.35， 塔基本振型的固有周期塔第二振型的固有周期塔第三振型的固有周期式中 E塔体材料在设计温度下的弹性模量，查表知E=；m塔单位高度上的质量，m=806.5kg/m； H塔高，m； I塔截面的形心轴惯性矩，=0.011ss所以， 式中 -衰减指数，-阻尼调整系数， 地震力计算： 式中 -对
25、应于塔器基本固有周期的地震影响系数值； -第k段塔节的集中质量离地面的距离，m； -第k段塔节的集中质量，kg. 地震弯矩计算： 塔基本振型的地震弯矩为： 2.4.4最大弯矩 取其中较大值 故 取其中较大值 故 取其中较大值 故2.5塔体的强度及轴向稳定性验算2.5.1塔体2-2截面的各项轴向应力计算 2.5.2塔体2-2截面抗压强度及轴向稳定性验算 式中 ； 组合系数k=1.2. 塔体截面2-2满足抗压强度及轴向稳定条件。 塔体2-2截面抗拉强度校核： 故满足抗拉强度条件。 上述各项校核表明，塔体厚度可以满足整个塔体的强度、刚度及稳定性要求。 2.6裙座的强度及稳定性校核裙座内径名义厚度厚度
26、附加量，则裙座有效厚度2.6.1裙座底部0-0截面轴向应力计算： 操作时全塔质量引起的压应力： 风载荷引起的弯曲应力： . 抗压强度及轴向稳定性验算： 式中 组合系数 裙座底部0-0截面满足抗压强度及向稳定条件。 2.6.2裙座检查孔1-1截面强度校核 裙座检查孔1-1截面的轴向应力计算. 压强度及轴向稳定性验算 式中 组合系数 因此裙座检查孔处1-1截面满足抗压强度及轴向稳定性条件。 2.6.3裙座焊缝强度校核 此塔裙座与塔体采用对接焊，焊缝承受的组合拉应力为： 满足裙座焊缝要求2.7压试验时塔的强度和稳定性验算2.7.1水压试验时塔体2-2截面的强度校核 按式校核 式中 -直立进行水压试验
27、时的水压试验压力， -液体静压力，由于塔高为30m，扣除裙座高度5m，直立进行水压试验时，塔内实际液体高度为25m，故取。 故满足水压试验强度要求。2.7.2水压试验时裙座底部0-0截面的强度和轴向稳定性校核 ，故水压试验时裙座底部0-0截面满足稳定性要求。2.8基础环板设计2.8.1基础环板内外径的确定外径 内径 2.8.2混泥土强度校核 正常操作时： 水压试验时： 以上应力均小于各种标号混泥土的压应力许用值4MPa，满足强度要求。 2.8.3基础环板厚度设计 由于该塔较高，塔底裙座采用加筋结构，基础环板采用12均布的地脚螺栓固定，取筋板厚度为，则基础环上筋板间的距离为： 取两筋板内侧距离为
28、： 则相邻两筋板间最大外侧距离为： 基础环的外伸宽度： 两筋板间基础环部分的长宽比: 基础环面积 基础环截面系数 查表 ， 基础环板采用Q235钢，（根据JB/T4710-92中对于基础环的许用应力查得的数据）则其厚度为： 考虑腐蚀裕量，取再圆整至钢板系列尺寸，故取基础环板厚度。 2.8.4地脚螺栓的设计 塔设备作用在迎风面侧基础上的最小应力根据 故取 由于设备有可能倾倒，必须采用地脚螺栓予以固定。选用地脚螺栓的材料为16MnR,该材料的许用应力为147MPa，取腐蚀裕量为3mm，则地脚螺栓的根径 -基础环面积， 地脚螺栓公称直径： 根径/mm 20.75 26.21 31.67 37.12
29、42.58 50.04公称直径 M24 M30 M36 M42 M48 M56 根据标准，选用M56的地脚螺栓12个。2.8.5筋板的设计与计算筋板的结构简图如图所示对应与一个地脚螺栓的筋板的个数为：=2筋板的厚度筋板的宽度筋板的长度一个地脚螺栓所承受的最大拉力为：筋板的细长比为：（为临界细长比）因为 所以，筋板的临界许用压应力： 筋板的压应力故所选用的筋板合格。2.8.6盖板的设计和计算根据所给出的设计条件和设计参数，选择整块环形盖板并且加上垫板。盖板的宽度盖板的间距垫板的宽度盖板上的地脚螺栓孔的直径垫板上的地脚螺栓孔的直径盖板的厚度垫板的厚度环形盖板的最大应力的计算如下： 因为 所以 选用
30、的盖板和垫板合格。 2.9开孔及开孔补强根据GB 150，当在设计压力小于或等于2.5MPa的壳体上开孔，两相邻开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）大于两开孔直径之和的两倍，且接管公称外径小于或等于89mm时，只要接管最小厚度满足表3要求，就可不另行补强。表3不另行补强的接管最小厚度 mm接管公称外径 25 32 38 45 48 57 65 76 89最小厚度 3.5 4.0 5.0 6.02.9.1工艺水进口N03开孔及开孔补强 补强及补强方法判别. 补强判别 因本开孔外径，故需另行补强。. 补强计算方法判别 开孔直径 本壳体开孔直径d=392mm满足等面积法开孔补强计算的适用条件，故用
31、等面积法进行开孔补强计算。 开孔所需补强面积 壳体计算厚度考虑风载荷对塔体的影响，取 强度削弱系数 接管有效厚度 开孔所需补强面积为： 有效补强范围 有效宽度B：取大值故。有效高度:外侧有效高度：取小值故内侧有效高度：取小值故 有效补强面积： 筒体多余金属面积： 接管多余金属面积：接管计算厚度 接管区焊缝面积（焊脚为10mm）： 有效补强面积： 故需另行补强。 所需另行补强面积： 拟采用补强圈补强。 补强圈设计 根据接管公称直径选补强圈，参照补强圈标准取补强圈外径内径因补强圈在有效范围内。 补强圈厚度为： 考虑钢板负偏差量并经圆整，取补强圈名义厚度。 2.9.2贫甲醇进口N07开孔及开孔补强
32、补强及补强方法判别 补强判别：因本开孔外径，故需另行考虑补强。 补强计算方法判别开孔直径 本凸形封头开孔直径满足等面积法开孔补强计算的适用条件，故用等面积法进行开孔补强计算。 开孔所需补强面积 封头计算厚度 开孔所需补强面积 有效补强范围 有效宽度：B 取大值故 有效高度：外侧有效高度：取小值故 内侧有效高度： 取小值 故 有效补强面积 筒体多余金属面积： 接管多余金属面积：接管计算厚度： . 接管区焊缝面积（焊脚取10mm）： . 有效补强面积： 故需另行补强 所需另行补强面积： 拟采用补强圈设计。 补强圈设计 根据接管公称直径选补强圈，参照补强圈标准，取补强圈外径，内径。因，补强圈在有效范围内。补强圈厚度为：经圆整取补强圈名义厚度，2.9.3工艺水出口N02开孔及开孔补强 补强及补强方法判别 补强判别：因本开孔外径，故需另行考虑补强。 补强方法判别：开孔直径：本凸形封头开孔直径。满足等面积法开孔补强计算的适用条件，故可用等面积法进行开孔补强计算。 开孔所需补强面积 封头计算厚度： 强度削弱系数： 有效补强范围 有效宽度： 取大值故 有效高度：外侧有效高度：取小值 故 内侧有效高度： 取小值 故 有效补强面积 筒体多余金属面积：
