0012-φ600气提塔设计(CAD图+论文+翻译)
0012-600气提塔设计(CAD图+论文+翻译),气提塔,设计,cad,论文,翻译
毕业设计(论文)任务书学 院: 机械工程学院 题 目: 600气 提 塔 设 计 设计(论文)内容及要求:一、 已知设计参数:操作压力 0.05MPa(绝)操作温度 350入塔物料 轻柴油 重柴油 煤油塔高17.632米, 塔径 0.6米环境 衡阳室外二、设计内容及设计工作量要求:(1)按所给设计参数完成气提塔的设计;(2)绘制设计图纸总计3张零号以上,其中要求手工绘图1张壹号以上;(3)设计说明书字数不少于1.5万字,并要求统一用A4纸打印;(4)翻译3千左右汉字量的与毕业设计有关的英文资料;(5)撰写相当于3百汉字的英文摘要。三、主要参考资料: 化工设备设计全书(塔设备) 化工原理 化工工艺设计手册 GB150-1998钢制压力容器 指导教师: 年 月 日毕业设计(论文)题 目 气提塔设计 学院名称 机械工程学院 本科生毕业设计(论文)开题报告设计(论文)题目600气提塔设计设计(论文)题目来源自选题目设计(论文)题目类型工程设计类起止时间2011.1.65.31一、设计(论文)依据及研究意义:1.设计依据:根据老师提供的设计任务书的规定,结合大学四年所学课程知识,参照国家标准、行业标准,查阅手册、图册及其他相关资料,科学合理地完成设计。2.研究意义:本设备主要是对重柴油,轻柴油、煤油的分离,在解决能源方面具有重要意义。二、 设计(论文)主要研究的内容、预期目标:(技术方案、路线)1. 主要研究内容:塔设备的工艺设计(塔内径、塔高、封头、进出口接管及裙座)等。并对其进行强度计算及校核,绘制图纸等2.技术方案及路线:首先进行物料衡算和热量衡算,然后进行塔设备的尺寸计算,最后进行强度计算和校核。三、 设计(论文)的研究重点及难点:1. 研究的重点:(1) 气提塔的结构设计;(2) 其他附件及组件的选择;(3) 塔的强度计算和校核。2. 研究的难点:(1) 结构设计的最优化选择;(2) 塔体以及一些塔副件的强度计算及校核;四、 设计(论文)研究方法及步骤(进度安排):研究方法:在综合运用所学专业知识基础上,结合化学工艺,主要采用理论计算的方法对气提塔进行设计进度安排:2011.1.62011.1.15 收集相关参考书和参考资料,了解设计装置的原理和内容;2011.2.282011.3.6 根据任务书完成开题报告2011.3.72011.4.1 翻译英文资料,根据所选方案及给定的参数进行气提塔的设计及附件的选型并进行校核;2011.4.22011.4.30根据计算结果,画出气提塔的部件及零件的图纸;2011.4.302011.5.25 绘制气提塔的总装配图、完成设计说明书2011.5.252011.5.31 准备毕业答辩五、 进行设计(论文)所需条件:1.要有充分的资料,可通过图书馆、院资料室、因特网查阅气提塔的相关的资料、图纸等。2.到工厂参观实习,了解气提塔具体的结构和工作流程,实际运行时应该要考虑的相关因素;3.了解所需设计方法、准备设计所需的资料、工具等。 六、 指导教师意见:签名: 年 月 日机械工程学院摘要:填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。填料塔的塔身是一直立式圆筒,底部装有填料支承板,填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安装填料压板,以防被上升气流吹动。液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上,并沿填料表面流下。气体从塔底送入,经气体分布装置(小直径塔一般不设气体分布装置)分布后,与液体呈逆流连续通过填料层的空隙,在填料表面上,气液两相密切接触进行传质。填料塔属于连续接触式气液传质设备,两相组成沿塔高连续变化,在正常操作状态下,气相为连续相,液相为分散相。 强度校核部分是本次汽提塔设计中的重点,也是难点,他分为圆筒厚度校核,封头厚度校核,圆筒轴向力校核和圆筒稳定校核,塔设备压力试验时的应力校核,裙座轴向应力校核,基础环和地脚螺栓设计及校核,筋板设计及校核,盖板设计及校核。设计中个部分校核都必须合格,从而保障设计的科学合理性。关键词:填料塔、圆筒、封头、试验、校核Abstract:Tower packing tower packing is based on gas-liquid two-phase contact as a component of mass transfer equipment. The tower is a packed tower has vertical cylinder, equipped with a filler at the bottom of bearing plates, fill the entire block to huddle or placed in the way of support on the board. Fill the top of the filler plate is installed to prevent air blowing was increased. Liquid from the top of the tower by spraying liquid distributor to fill, and down along the filler surface. Into the gas from the bottom, with gas distribution equipment (small-diameter tower generally no gas distribution device) distribution, and fluid was counter-current continuous layer through the gap filler in the filler surface, the gas-liquid two-phase mass transfer in close contact to .Packed column is continuous-contact gas-liquid mass transfer equipment, two-phase composition changes in a row along the tower, in the normal operating mode, the gas for the continuous phase, liquid phase for the dispersed phase. Strength checking is part of the design of the stripper in the focus, but also difficult, he check into the thickness of cylinder, checking the thickness of head, cylinder and cylinder axial force checking stability check, the pressure of tower equipment Check stress tests, axial stress check skirt, basic loop and anchor bolt design and verification, design and verification ribs, cover the design and verification. Parts of the design verification must be qualified in order to protect the design of scientific rationality.Key words: Packed tower cylinder head test check目录引 言1第一章 填料塔21.1、散装填料21.2、规整填料21.3、塔内件21.4、填料吸收塔31.4.1、吸收过程概述31.4.2、填料塔内气液流动流体力学31.4.2.1、填料塔内流体流动状况31.4.2.2、填料塔泛点气速31.4.2.3、填料塔压降41.4.2.4、持液量41.5、填料精馏塔51.5.1、填料精馏塔的结构51.5.2、填料精馏塔结构设计原则51.6、填料萃取塔61.6.1、概述61.6.2、填料萃取塔的特点6第二章 填料塔设计指标62.1、填料尺寸72.2、填料塔直径82.3、填料层高度8第三章 填料塔的附属结构93.1、 填料支承板103.2、 液体分布器113.3、 液体再分布器123.4、 保温层123.5、除沫器133.6、裙座143.7、扶梯、操作平台163.8、 其他16第四章 气提塔的计算及校核174.1、筒体厚度计算及工作压力校核174.1.1、根据设计压力和液柱静压力确定计算压力174.1.2、圆筒厚度的计算174.1.3、圆筒工作压力校核184.2、封头厚度计算及工作压力校核194.2.1、封头厚度的计算194.2.2、封头工作压力校核204.3、载荷分析214.3.1、塔设备质量载荷计算214.3.2、 吊柱尺寸254.3.3、裙座高度设计264.3.4、自振周期的计算264.3.5、地震载荷与地震弯矩的计算274.3.5.2、地震弯矩的计算304.3.6、风载荷与风弯矩的计算314.3.6.1、风载荷的计算314.3.6.2、风弯矩的计算354.3.7、偏心弯矩364.3.8、最大弯矩364.4、强度校核374.4.1圆筒轴向力校核和圆筒稳定校核374.4.2、塔设备水压试验时的应力校核404.4.3、裙座轴向应力校核404.4.3.1、裙座轴向应力校核404.4.2、基础环和地脚螺栓及筋板的设计校核434.4.3、盖板设计及校核474.4.4、裙座与塔壳的对接焊缝484.5、其他49文献翻译50参考文献60结束语61谢辞62iv引 言气提塔是用于气提过程的塔器。气提过程是将某一组分的蒸汽分压增大破坏了原来的蒸汽平衡分压,引发液相中的另一组分从液相中逸入气相的过程,也称蒸汽蒸馏,是一种比较简单的蒸馏方法,常用以蒸馏在常压下沸点较高或在其沸点时易于分解的物料,也常用于高沸点的物料与不挥发的杂质分离。为了实现较为理想的传质过程,往往在管子的另一侧供应热量,使气提组分化合物的分解所需热量得到补充,是一种传热传质类型的塔器。在本设计中设计的是气提塔,本塔的作用是分离重柴油、轻柴油、煤油,在能源分离方面应用广泛。气提原理,就是在设备内通入蒸汽,降低油品的油气分压,将较轻的组分蒸发出去。本质是利用含溶质浓度低的气体与液体接触,由于气相溶质的分压低,使液相溶质向气相传质(拉乌尔定律)。在设计的过程中,我们根据设计任务书,依据各种设计标准,查阅相关的参考资料、图册和标准文献,从工艺计算、结构设计、强度计算等方面综合分析,设计出结构合理的气提塔。设计包括的主要内容:塔设备的工艺设计(塔内径、塔高、封头、进出口接管及裙座)等。并对其进行强度计算及校核,绘制图纸等。技术方案及路线:首先进行物料衡算和热量衡算,然后进行塔设备的尺寸计算,最后进行强度计算和校核。本设计说明书是在邹芝芳、段小林老师的指导下,在冯晓康教授、卿德藩教授、李启成教授、刘琼老师等各学科老师的精心教育下,由舒莉同学完成的。由于编者掌握的相关设计知识有限,本书内容多有不足和错误之处,恳请各位老师提出宝贵意见,以便我的补充改正,在今后的设计过程中不断进步。第一章 填料塔1.1、散装填料散装填料又称颗粒填料,通常以乱堆形式装填在塔内,故也被称为乱堆填料。包括拉西环及其衍生填料,如勒辛环、十字隔环、三头螺旋环、双头螺旋环、单头螺旋环等。从形状来分,主要分为环形填料、鞍形填料、环鞍形填料、球形填料和其他类型填料。其中环形填料包括拉西环、鲍尔环等;鞍形填料包括矩鞍形填料、半环填料;环鞍形填料包括IMTP填料、纳特环和共轭环填料;球形填料包括多面球填料、TRI球形填料。1.2、规整填料规整填料是一种在塔内按均匀几何图形排布、整齐堆砌的填料,在整个塔截面上几何形状规则、对称、均匀,规定了气液流路,改善了沟流和壁流现象,压降可以很小。在相同的能量和压降下,能较散装填料提供更多的比表面积,在相同容积中也可达到更高的传质、转热效果。同时,由于其结构的均匀、规则、对称性,在与散装填料具有相同的表面积时,其空隙率更大,具有更大的通量,综合处理能力比板式塔和散装填料塔大很多。通过对规整填料的深入研究以及对塔内件(如气液分布器)的精心设计、制造、安装和认真操作等,可以做到工业放大效应不明显。近几十年来,规整填料在精细化工、香料工业、炼油、化肥、石油化工等领域的众多塔器内得到广泛应用。规整填料主要包括金属板波纹填料、非金属板波纹填料和网波纹填料等。1.3、塔内件塔内件是填料塔的组成部分,它与填料及塔体共同构成了一个完整的填料塔。其功能是最大限度发挥填料塔的效率和生产能力,而不是限制填料塔的性能。故塔内件的好坏直接影响整个填料塔的性能。填料塔的所谓“放大效应”,除填料塔本身固有因素外,塔内件也有很大影响。塔内件主要包括以下几个部分:液体分布装置;填料紧固装置;填料支撑装置;液体收集再分布、防壁流及进出料装置;气体进料及分布装置;除沫装置。1.4、填料吸收塔1.4.1、吸收过程概述利用气体混合物中各种组分在液体溶剂中溶解度的差异,将气体混合物的特定组分转移到液体的过程,即为吸收,是在化工、石油化工、医药、环保等行业中广泛应用的一种化工单元操作过程,吸收中使用的液体溶剂称为吸收剂,被吸收的气体组分称为溶质。1.4.2、填料塔内气液流动流体力学1.4.2.1、填料塔内流体流动状况在应用填料塔作为传质设备的吸收、精馏等分离过程中,气液两相通常以逆流流动的方式进行气液接触。气液逆流填料塔操作时,在填料层内,液体借重力沿填料表面呈膜状流下,气体自下而上地通过填料层流动通道空隙,与填料表面下降液膜之间的交互作用是影响填料层内气液两相流体流动的关键因素,填料塔内流体力学特性主要包括液降、载点、泛点和持液量等。1.4.2.2、填料塔泛点气速自载点以后,气液两相的交互作用越来越强烈。当气液量达到某一定值时,两相交互作用恶性发展的结果会导致液泛现象的出现。此时上升气流对液流的曳力加大到足以阻止液体下流,于是液体充满填料层空隙,气体只能鼓泡上升。在压降曲线上,出现液泛现象的标志是压降曲线近于垂直,压降曲线明显变为垂直的转折点称之为泛点。液泛是填料塔的极限操作状态,正确地估算泛点气速对于填料塔的设计和操作十分重要,直接影响吸收塔送风机的选取和精馏塔底部温度的计算。填料塔的最大操作气速可为泛点气速的95,而经济可靠的最大操作气速泛点的70左右,即在载点左右。1.4.2.3、填料塔压降反映填料层阻力的压降随填料的类型与尺寸不同而变化,通常需要对各种类型尺寸填料进行实测以得到压力降曲线。适用于乱堆颗粒型填料如拉西环、鞍形填料、鲍尔环等,其上还绘制了整砌拉西环和格栅填料两种规则填料的泛点曲线。根据两相流动参数和填料因子或压降填料因子,将横坐标和纵坐标的值算出,即可按等线求出,但在10mmH20*/m时误差较大。1.4.2.4、持液量持液量指单位体积填料层载其空隙中所持有地液体量。进行填料支撑板强度计算时,填料本身重量与持液量都应考虑。一般认为持液量小的填料比较好,持液量小则阻力亦小,但要使操作平稳,一定的持液量是必要的。持液量分静态持液量与动态持液量两部分。静态持液量指填料层停止接受淋洒液体并经过规定的滴液时间之后,仍然滞留载填料层中的液体量,其大小决定填料本身(类别、尺寸)及液体的性质。动态持液量指操作时流动于填料表面的量,即可以从填料上滴下的那部分,其值等于载一定的淋洒条件下持于填料层中的液体总量与静持液量之差。显然这一部分持液量不但与前述因素有关,而且还与喷淋密度有关。总持液量由填料类型、尺寸、液体性质、喷淋密度等所决定,可由经验公式或曲线图来估计4。到了载点以后,持液量还随气流速度的上升而增加。1.5、填料精馏塔1.5.1、填料精馏塔的结构对于不同的工艺要求,填料塔应考虑不同的结构。如炼油装置中的蒸馏塔,分离精度要求不高,但其处理量大,往往进口侧线较多,填料段较多,各段填料层的功能也不一致,有的传质、有的传热、有的洗涤,或兼而有之。不少场合进料为气液混合进料,或液相进入塔内会发生闪蒸。1.5.2、填料精馏塔结构设计原则(1)塔型选择一般对热敏性物系、易起泡的物系、相对挥发度小需要很多理论分离级数的物系、有腐蚀物系等场合宜先考虑填料塔。确定塔型后,则应确定蒸馏过程,是分批蒸馏还是连续蒸馏,是否有多股进料或侧线产品,根据能耗及投资情况是否有条件采用热泵蒸馏或多效蒸馏。(2)操作压力的选择小分子量物系,如丙烯和丙烷等物系,常温常压下为气态,必须在加压下蒸馏。大分子量或热敏性物系,宜采用真空蒸馏,可降低操作温度。难分离物系在减压下蒸馏,可提高相对挥发度,从而可减少分离所需理论级数。常压蒸馏是介于加压蒸馏和真空蒸馏之间的操作,其投资设备比真空蒸馏或加压蒸馏都要低得多。(3)填料的选择规整填料与散装填料相比,其分离能力较大,单位分离能力的比面积并不比散装填料小,这说明采用规整填料比采用散装填料经济。但规整填料的单位分离能力的并不比散装填料小,这说明规整填料的微观传质性能并不比散装填料好,只是规整填料可以使用薄板材,从而合理地利用了材料,比面积比散装填料大。1.6、填料萃取塔1.6.1、概述填料萃取塔在石油炼制、石油化工和环境保护等领域得到广泛的应用。为了改善两相接触、减少纵向混合以提高传质效率,在萃取塔的塔体内装填了适当的填料。由于填料的存在,促进了液滴群的分散-聚合-再分散循环,并抑制了塔内的非理想流动,从而提高其传质效率。1.6.2、填料萃取塔的特点(1)对填料的选择具有不同的要求;(2)体系的物系是影响设计计算的重要因素;(3)纵向混合的影响不容忽视;(4)分布器的设计必须充分考虑液体体系的特点。第二章 填料塔设计指标2.1、填料尺寸选定填料尺寸时要考虑塔径。塔径与填料直径(或主要线性尺寸)之比不能太小,否则填料与塔壁不能靠紧而导致留出得空隙过大,易使大量液体沿塔壁流下,因而使截面上液体分布严重不均。一般认为上述比值至少要等于8,对拉西环填料还须大一些。表2-1 填料塔设计重要参数常用数值填料尺寸对塔径的推荐值塔径/ m填料尺寸/ mm12525505080由于矩鞍形填料是最高效的填料之一,不易迭合,床层均匀,传质效率高,液泛点比拉西环及弧鞍环填料高,压力降则较低。故根据化工容器及设备简明设计手册961页,选择矩鞍形填料,所选的填料其具体特性参数如下:表2-2 矩鞍形填料的特性参数类型公称尺寸dmm外径高厚(dH)mm比表面a空隙率/个数n堆积密度Kg/干填料因子a/填料因子陶瓷制(国内)50754551030.78287105382161222.2、填料塔直径填料塔直径决定于气体体积流量于空塔速度,前者由生产条件决定,后者则在设计时规定。在气体处理量一定得条件下,气速大则塔径小,又由于传质系数高,可使填料层得总体积减小,因而设备费可降低;但气速大则阻力大,使操作费提高。气速又不能过于靠紧液泛点,否则生产条件稍有波动,操作即不平稳。考虑到这些因素,操作气速可按下列两种方法之一决定:(1)取操作气速等于液泛气速得0.50.8倍;(2)根据生产条件,规定出可容许得压力将,由此压力将反算出可采用得气速。本设计按照设计要求,塔内径设计为。2.3、填料层高度填料层高度由传质单元数或理论板数来推算。算出得高度较大则要分成若干段,每段高度一般不宜超过6m,或按下列推荐的倍数来定:对拉西环,每段填料层高度为塔径的3倍,对鲍尔环及鞍形填料为510倍。为了使液体分布良好,两端之间设液体再分布装置。若段数太多,可将填料分装在几个塔内,串连操作。为了有利于液体在填料表面的分布及液体表面的更新,从而提高传质性能,本设计选用陶瓷制环矩鞍填料。根据化工原理课程设计145页表5-16 ,于是有下表值:表2-1散装填料分段高度推荐值填料类型h/D鲍尔环填料8156m,由上面分析已经得知,本设计选择填料尺寸为d50mm。由于本设计需要分离轻柴油、重柴油、煤油三种物质,每次气提分离其中的一种较轻物质,所以要分离这三种油分物质,需要分两次气提,因而采用两段填料,每段填料高h3.5m。 第三章 填料塔的附属结构填料塔的附属结构包括填料支撑板,液体分布器,液体再分布器,气、液体进口及出口装置等。3.1、 填料支承板填料的支撑装置安装在填料层的底部。支承板的主要用途是支承塔内的填料及填料上的持液量,同时又能保证气液两相顺利通过。支承板应有足够的机械强度和耐腐蚀能力。支承板若设计不当,填料塔的液泛可能首先在支承板上发生。对于普通填料,支承板的自由截面积应不低于全塔截面积的50,并且要大于填料层的自由截面积。填料支撑栅板是结构最简单、最常用的填料支撑装置,由竖立的扁钢条焊接组成,放置于焊接在塔壁的支撑圈上。塔径较小时可采用整块式栅板,大型塔则可采用分块式栅板。栅板支撑的缺点是如将散装填料直接乱堆在栅板上,则会将空隙堵塞从而减少其开孔率,故这种支撑装置广泛用于规整填料塔。有事在栅板上先放置一盘板波纹填料,然后再装填散装填料。本设计选用栅板支撑结构,根据化工设备设计基础第101页知,塔径为600mm,所选填料环直径d=50mm时,栅板分成两块,材料选用Q235A。按照表3-2分块式栅板结构尺寸,栅板具体尺寸如下:表3-1 栅板结构尺寸塔径栅板分块数填料环直径DThs栅板支持圈l栅条数b6002505804540628965083.2、 液体分布器液体分布器对填料塔的性能影响颇大。分布器设计不当,液体预分布不均,填料层内的有效润湿面积减少而偏流现象和沟流现象增大,影响传质效果。主要有管式喷淋器、莲蓬式喷淋器、盘式喷淋器、齿槽式分布器。由于所设计气提塔的塔径为600mm,根据化工设备设计基础第96页,液体分布装置,选用直管喷孔式分布器。其上的小孔直径取8mm,取5排,小孔面积总和约等于直管截面积。根据过程设备设计第二版第295页,常用填料塔的喷淋点数:D750mm时,每60的塔设备截面设一个喷淋点,所以,本设计喷淋点数为:所以,取喷淋点数N=45.管直径可由:,即得,取喷淋管公称直径,壁厚。图3-1 喷淋管结构简图3.3、 液体再分布器液体再分布器的作用是将流到塔壁附近的液体重新汇集并引向中央区域。为改善向壁偏流效应造成的液体分布不均,可在填料层内部每隔一定高度设置一液体再分布器。每段填料层的高度因填料种类而异,偏流效应越严重的填料,每段高度应越小。由化工设备设计基础第100页,液体再分布装置,知:一般填料层高度与塔径之比大于56时,需要安装再分布装置,而由前面的设计说明知:填料层高度h3.5m=3500mm,塔径,因此,所以此塔不需要安装液体再分布装置。3.4、 保温层保温层厚度按一般设计规定,取厚度为。由化工设备机械基础课程设计指导书表5-4,塔设备部分零件质量载荷估计表,知:保温层自重为300。化工工艺设计手册第768页,保温功能及应用,保温范围,指出直径。所以取设计压力为4.1.2、圆筒厚度的计算筒体材料选用Q245R。因为Q245R塑性和可焊性较好,价格低廉,常用于低压容器的制造。低压容器的圆筒厚度计算式为:查过程设备设计第二版表D1钢板许用应力,在设计温度为350,厚度在616mm时,Q245R的许用应力为=92;查过程设备设计第二版表4-3 钢制压力容器的焊接接头系数值,为使焊缝紧密,容器正常工作,采用双面焊。无损探测比例选择局部,故焊接接头系数值取0.85。将、 值代入上式得:根据钢制压力容器(GB150-1998)规定:对低合金钢制的容器,不包括腐蚀裕量的最小厚度应不小于3。故取。圆筒设计厚度 ,其中 其中为腐蚀裕量,在无特殊腐蚀情况下,Q245R属于碳素钢,对于碳素钢和低合金钢,不小于1,故取=2;为钢材厚度负偏差,使用中钢板厚度超过5mm时(如Q245R、16MnR和16MnDR等)可取=0,因,其中。 从而:圆筒设计厚度由过程设备设计第二版,269页表6-3薄管板的厚度,知:公称直径为600mm时,管板厚度为10mm,因此,取圆筒名义厚度为=10mm,则圆筒有效厚度=4.1.3、圆筒工作压力校核圆筒应力强度判别式为:设计温度下圆筒的计算应力为:而 显然有:=圆筒最大允许工作压力:有压力计算得工作压力所以:所以筒体设计符合使用后强度要求,安全。4.2、封头厚度计算及工作压力校核4.2.1、封头厚度的计算取用标准椭圆型封头,形状系数K=1 又=600mm,故得=150mm封头厚度计算公式为:与筒体的设计计算同理:对低合金钢制的容器,不包括腐蚀裕量的最小厚度应不小于3。故,封头设计厚度=+=+封头名义厚度与圆筒一样,取为10因此,封头有效厚度=-=根据化工容器及设备简明设计手册316页,椭圆形封头的曲面高度与直边高度(mm)、内表面积与容积,知:公称直径为DN=600mm的椭圆形封头, 曲面高度,直边高度,容积4.2.2、封头工作压力校核 封头1校核封头有效厚度 椭圆形封头的最大允许工作压力为:而其中,为封头1与塔顶之间的距离。显然,所以封头1设计满足工作要求,安全。 封头2校核 同封头1的校核,=0.22 Mpa所以封头2设计满足工作要求,安全。同理,封头3和封头4用相同方法校核后,同样满足工作要求,安全。4.3、载荷分析4.3.1、塔设备质量载荷计算塔设备的正常操作质量:塔设备在水压试验时的最大质量:塔设备在检修时的最小质量:塔体、座质量;塔内件如塔盘或填料的质量;保温材料的质量;操作平台及扶梯的质量;操作时物料的质量;他附件如人孔、接管、法兰等质量;水压试验时充水的质量;偏心载荷。(1)、塔体总质量已知塔体总高度H=17.632m根据化工容器及设备简明设计手册316页,椭圆形封头的曲面高度与直边高度(mm)、内表面积与容积,知:公称直径为DN=600mm的椭圆形封头, 曲面高度,直边高度,容积查化工设备机械基础课程设计指导书附表4-1筒体的容积、面积和质量,可知筒体公称直径为的每米高碳素钢板理论质量为30.6。查化工容器及设备简明设计手册第317页,以内径为公称直径的碳素钢、普通低合金钢、复合钢板制椭圆形封头的质量,可知公称直径为,厚度为封头的质量为。所以,塔体总质量为:(2)、塔段内件质量:塔内件质量主要是填料质量,其余塔内件相对于填料来说,其质量均可忽略,所以塔内件质量由第二章中表2-3矩鞍形填料的特性参数知所选用的矩鞍形填料填料密度为=538 Kg/,本设计填料分两段,每段高度为3.5m,故故而塔段内件的质量:(3)、保温材料质量:取保温层厚度为=100mm查化工设备机械基础课程设计指导书表5-4 塔设备部分零件质量载荷估算表得:保温层质量载荷为300;根据化工容器及设备简明设计手册316页,椭圆形封头的曲面高度与直边高度(mm)、内表面积与容积,知:公称直径为DN=600mm的椭圆形封头, 曲面高度,直边高度,容积,以保温层外径为内径的椭圆形封头的容积为0.0871。所以式中为封头保温层质量(4)、平台、扶梯质量:查化工设备机械基础课程设计指导书表5-4 塔设备部分零件质量载荷估算表,知:钢制平台质量,笼式扶梯质量塔设备总高为17.632m, 笼式扶梯总高取为HF=17m本设计设置本平台数n取8个故而平台、扶梯质量:(5)、操作时塔内物料质量将塔分为两个反应空间,每部分筒体部分长,由前面的设计说明知:封头容积,陶瓷制矩鞍形填料的空隙率,而每段填料层高度故操作时塔内物料得最大质量为:(6)、人孔、接管、法兰等附件质量按经验取附件质量为:=0.25(7)、充液质量所以:塔设备的自重为:塔设备在正常操作时的操作质量为:塔设备在停工检修时的最小质量为:塔设备在水压试验时的最大质量为:4.3.2、吊柱尺寸高度超过15m的室外整体塔,一般应在塔顶设置吊柱。设计由塔设备349页,吊柱结构图,其参数按照352页,表8-32,吊柱的主要结构参数选取,结果如下:表4-1 吊柱主要参数SLHRe8003150100016810750250110根据吊柱结构图及其参数,计算出塔设备除吊柱外的高度吊柱高出塔顶的距离为: 由于一般要求吊柱的吊钩与塔顶之间的距离在1000mm以上,所以吊柱尺寸选择合理。4.3.3、裙座高度设计裙座材料选用Q235-A(A3)在分配好塔设备其他部分的告诉之后,按照任务要求总塔高,来确定裙座高度。因封头厚0.01m,曲边高0.15m,直边高0.05m,设计分配计划中,塔中两段反应部分高均为5.5m,中间连接筒体高1m。因此,裙座高度为:4.3.4、自振周期的计算分析塔设备的振动时,一般情况下不考虑平台及外部接管的限制作用以及地基变形的影响,而将塔设备看成是顶端自由,底部刚性固定,质量沿高度连续分布的悬臂梁,其基本震型的自振周期式中,H塔的总高,mm;塔在操作时的总质量,kg;E塔壁材料的弹性模量,Mpa;筒体壁厚,mm;设备内径,mm;由前面的计算知:=10mm,查GB150-1998钢制压力容器,表F5钢材弹性模量,得:350时Q245R的弹性模量,4.3.5、地震载荷与地震弯矩的计算当发生地震时,塔设备作为悬臂梁,在地震载荷作用下产生弯曲变形。安装在七度或七度以上地震烈度地区的塔设备必须考虑它的抗震能力,计算出它的震载荷。图4.1由于塔总高为17.632m ,故可将塔分为三段,视每段高度之间的质量为作用在该段高度二分之一处的集中质量,各段高度分别为2500mm、2500mm、2632mm。首先,选取计算截面(包括危险截面)。其计算截面分别为0-0、1-1、2-2,其中0-0、1-1、2-2为危险截面。由过程设备设计第332页有:水平地震力的计算公式为:集中于单质点的质量,kg;g重力加速度,;地震影响系数,根据场地土的特性周期及塔的自振周期由过程设备设计第332页的图7-76确定,不得小于。本设备使用场地土质为类,查表3-10地震影响系数的最大值,知:设计烈度为7级时,多质点弹性体系水平地震力计算:作用在质点k(k段)的水平地震力,N;k段的集中质量,kg;k段的振型系数,多质点弹性体系水平地震力计算:水平地震力计算简图如下:图4-2 水平地震力计算简图故:第1段地震力为:由上节塔设备质量的计算可推知:第2段地震力为:截面2-2约位于塔容器(不包括裙座)的中间部分,的计算值近似为:第3段地震力为:4.3.5.2、地震弯矩的计算a:塔底0-0截面地震弯矩由下列公式计算:其中:b:裙座与封头对接处2-2截面:其中:c:筒体2-2截面:其中:同上,带入数据,得:当时,视设备为柔性设备,须考虑高振型的影响,在进行稳定性或其他验算时,所取的地震弯矩值应为上列计算值的1.25倍,即:4.3.6、风载荷与风弯矩的计算4.3.6.1、风载荷的计算根据过程设备设计第二版,第328页,塔设备中第i计算段所受的水平风力可由下式计算:式中,塔设备中第i段的水平风力,N;塔设备中第i段迎风面的有效直径,m;风压高度变化系数;各地区的基本风压,;塔设备各计算段的计算高度,m;体形系数;塔设备中第i计算段的风振系数。(1)、基本风压由化工设备机械基础课程设计指导书表17-2,近似取衡阳地区基本风压值为350(2)、高度变化系数由过程设备设计328页表7-5风压告诉变化系数,再根据衡阳地区的地形和设备使用环境,地面粗糙类别定为B类。因此可知,本设计的为:表4-2 风压高度变化系数距地面高度51.00101.00151.14201.25(3)、风压对高度超过10m的塔设备,分段进行计算,每10m分为一段,余下最后一段高度取实际高度。任意计算段风压为:(4)、体形系数体型系数 风压在不同体型的结构表面分布亦不相同,对细长的圆柱形塔体结构,体型系数=0.7(5)、风振系数风振系数是考虑风载荷的脉动性质和塔体的动力特性的折算系数。对塔高的塔设备,取1.70。而对于塔高时,则按下式计算在此设计中,塔高=,故风振系数(6)、塔设备迎风面的有效直径各计算段的外径均为:=本设计的笼式扶梯与塔顶管线布置成180,因此,本设计的笼式扶梯与塔顶管线布置成180,因此,有效直径为:式中,塔设备中各计算段的外径,m;塔设备各计算段保温层厚度,m; 塔顶管线外径,m;管线保温层厚度,m;笼式扶梯的当量宽度,当无确定数据时,可取=400mm;操作平台的当量宽度,m;第i段内操作平台构件的投影面积(不计空挡的投影面积),;操作平台所在计算段的塔的高度,m;本设计,;=400mm;将以上讨论数据整理如表4-1表4-3 风载荷与风弯矩的计算计算内容数据01122顶各计算段的外径()620塔顶管线外径()57第段保温层厚度()100管线保温层厚度()100笼式扶梯当量宽度()400各计算段长度()322267787632操作平台所在计算段长度()322267787632平台数034操作平台当量宽度()01.521.35各计算段迎风面的有效直径()1.4771.9971.827各计算段顶截面距地面高度()3.2221017.632风压高度变化系数1.001.001.14体型系数0.7风振系数1.70塔设备自振周期()0.98基本风压()350风压()350350399()336336383第i计算段所受的水平风力(N)198256385807图4-1 风载荷计算简图4.3.6.2、风弯矩的计算计算出风载荷后,即可近似地视为合力作用在该段的1/2处而求得风弯矩,塔设备任意截面处的风弯矩按下式计算:a塔设备底截面(0-0截面)的风弯矩为:b1-1截面的风弯矩为:c2-2截面的风弯矩为:4.3.7、偏心弯矩当塔设备外部装有附属设备(如塔顶冷凝器偏心安装、塔底外侧悬挂再沸器)时,这些偏心载荷除了引起轴向压应力外,还要产生轴向弯矩,这弯矩不沿塔德高度而变化,其值可按下式计算:式中,偏心质量,kg;偏心距,即偏心重量的中心至塔设备轴线的距离,mm。本设计因为该塔塔体上并未悬挂附属设备或其他附件,故偏心弯矩。4.3.8、最大弯矩确定最大弯矩时,偏保守地假设风弯矩、地震弯矩和偏心弯矩同时出现,且出现在塔设备的同一方向。但考虑到最大风速和最高地震级别同时出现的可能性很小,在正常或停工检修时,去计算截面处的最大弯矩为: 取其中较大值计算数据如下表:表4-4 最大弯矩选择计算内容各截面处计算数据00截面11截面22截面()()最大弯矩()4.4、强度校核4.4.1圆筒轴向力校核和圆筒稳定校核由设计压力引起的轴向应力=4.7Mpa此应力只存在于筒体,裙座上由设计压力引起的轴向力为操作质量引起的轴向压应力由前面计算知:本设计筒体、裙座有效厚度均为故:截面0-0处:截面1-1处:截面2-2处:最大弯矩引起的轴向压应力,由此式可计算出:0-0截面上最大弯矩引起的轴向应力为:1-1截面上最大弯矩引起的轴向应力为:2-2截面上最大弯矩引起的轴向应力为:查过程设备设计第二版附表D1可知在设计温度350时,筒体所用材料Q245R的许用应力为92,裙座所用材料Q235-A的许用应力为77。取载荷组合系数等于1.2。筒体、裙座有效厚度均为,因此,查GB150-1998表6-1(续),得相应的系数A=0.110。根据A值查GB150-1998表6-3得Q245R在设计温度下的系数B=180,Q235-A在设计温度下的系数B=128由于最大弯矩在筒体中引起的轴向应力沿环向是不断变化的。与沿环向均布的轴向应力相比,这种应力对塔强度或稳定失效的危害要小一些。为此,在塔体应力校核时,对需用拉伸应力和压缩应力引入载荷组合系数K,并取K=1.2。在正常操作和停工检修工况下,许用轴向压应力取KB和K中较小值。由前面查得的各值,知:对于Q245R和Q235-A均有KBK,因此,均取其相应的K值。对内压容器圆筒最大组合压应力,最大组合拉应力K就满足要求,其中=0.85。数据整理如下表:表4-5 组合应力计算内容计算数据001122K 92.4110.4110.4K 78.5493.8493.84 92.4110.4110.4圆筒最大组合压应力()49.4134.9214.42判断得:,满足要求圆筒最大组合拉应力()40.8926.7812.68判断得:K,满足要求表4-6 圆筒组合应力计算及校核计算内容计算数据001122K 92.4110.4110.4 92.4110.4110.4圆筒最大组合压应力()49.4134.9214.42判断得:,满足要求圆筒最大组合拉应力()40.8926.7812.68判断得:K,满足要求4.4.2、塔设备水压试验时的应力校核在水压试验工况下,轴向拉伸应力用来限制。其中为筒体材料屈服点。轴向压缩应力用和KB中的较小值限制。查过程设备设计第二版附表D1得 筒体材料Q245R常温屈服点=245筒体:=0.91.2245=264.6=1.2180=216筒体的许用轴向压应力取及中较小值即=216塔设备充水(未加压)后最大质量和最大弯矩在壳体中引起的筒体组合轴向压应力,组合轴向拉应力,其最大值均已在上表中列出,故,筒体试验安全。4.4.3、裙座轴向应力校核4.4.3.1、裙座轴向应力校核塔设备常采用裙座支承。被设计中选择圆筒形裙座,圆筒形裙座轴向应力校核首先选取裙座危险截面。危险截面的位置,一般取裙座底截面(0-0)或裙座检查孔(人孔)截面。然后按裙座有效厚度验算危险截面的应力。本设计裙座选用的是圆锥形裙座,取裙座半顶角约由上节计算知:裙座上最大弯矩不是地震弯矩参与组合的,由化工设备简明设计手册第405页圆锥形裙座的应力校核公式,知:裙座底截面的应力验算应满足下列条件:(1)、裙座基底截面0-0:正常操作时: 取其中较小值液压试验时: 取其中较小值材料Q235-A在设计温度下的系数B=128Mpa裙座底截面内径:取裙座厚度:底截面系数:底截面面积:查GB150-1998,附录F,钢材高温性能,知:350时,Q245R:Q235-A:所以,对于Q245R、Q235-A,均有因此,与中的较小值为因此,与中的较小值为:进而,代值,得:正常操作时:液压试验时:因此,裙座底截面无论是在操作时还是液压试验时都是安全的。(2)、裙座开孔截面h-h:查化工设备简明设计手册第406页,裙座上开设人孔处的截面积,知:塔径时,。所以有:正常操作时:液压试验时:因此,裙座开孔截面无论是在操作时还是液压试验时都是安全的。所以,综上:裙座底截面和开孔截面无论是在操作时还是液压试验时都是安全的,设计合理。4.4.2、基础环和地脚螺栓及筋板的设计校核(1)、基础环设计群座内径=930裙座外径=930+210=950按照塔设备第316页,基础环内外径计算公式分别为基础环伸出宽度(2)、混凝土地面的核算及基础环厚度计算计算时可把基础环板上的受载近似看作是均匀的,混凝土基础环上的最大压应力为: 取其中较大者须满足其中基础环截面系数=基础环面积=由塔设备表16-11混凝土基础环的需用应力,知:标号为100的混凝土值为5.0Mpa,所以基础环的设计强度满足使用要求。有筋板时,基础环厚度为:对于低碳钢,取=140Mpa由化工设备简明设计手册第410页,表16-12查得,暂取地脚螺栓两侧相邻筋板间的间距为,取b=100mm,。查表代值得:按照规定:求得的还应加上壁厚附加量C=2mm,再圆整到钢板厚度规格上,且不得小于16mm。因此,取基础环厚度为(3)、地脚螺栓及筋板设计螺栓承受的最大拉应力为:取其中较大值先假定地脚螺栓个数为16,材料用Q235-A,取许用应力=147地脚螺栓腐蚀裕量取为2则地脚螺栓螺纹小径=故取16个地脚螺栓满足要求,其螺栓根径为20.752mm。按照设计规定有:,所以取筋板厚度,取,(4)、筋板的校核表4-3 筋板与基础环的链接表4-4 筋板、基础环的结构图根据塔设备表8-11,外螺栓座结构尺寸,板厚度为=12,筋板长度筋板的许用应力按如下公式计算当时,当时筋板细长比,且不大于250式中为惯性半径,对长方形截面的筋板取,筋板长度=168,故筋板细长比=临界细长比,式中为筋板材料的许用应力,对低碳钢材料取=140E为筋板材料Q235的弹性模量,查GB150-1998,表F5钢材弹性模量,知:碳素钢Q235在350时的弹性模量E=173。所以=, 故筋板的许用压应力可按下式计算,其中式中为一个地脚螺栓承受的最大拉力,可用式计算,=为对应一个地脚螺栓的筋板个数,取=2,故=故筋板的压应力筋板的许用应力=140Mpa,满足要求。4.4.3、盖板设计及校核环形盖板的最大应力按下式计算无垫板时有垫板时式中-垫板上地脚螺栓孔直径,;=27盖板上地脚螺栓孔直径,;=40筋板宽度,;=168筋板内侧间距,;=70垫板宽度,;=100盖板厚度,;=16垫板厚度,。=12一般环形盖板厚度不小于基础环厚度。无垫板时=有垫板时盖板最大应力应等于或小于盖板材料的许用应力,即。对低碳钢盖板的许用应力=140,由计算结果可知=140,满足要求。4.4.4、裙座与塔壳的对接焊缝截面1-1即裙座与塔壳对接焊缝截面,此处的剪应力按下式校核:其中为垂直地震力,仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合式计入此项。式中-裙座顶截面内直径,=600-设计温度下焊接接头两侧母材许用应力的较小值,查过程设备设计第二版,表D1钢板许用应力,得:Q245R:=92Mpa,Q235-A:=77 Mpa,即=裙座的有效厚度1-1截面以上塔设备操作时的质量为:由前面的计算知:截面1-1处的垂直地震力为:=所以,裙座与塔壳的对接焊缝满足强度要求,设计合理。4.5、其他各接管管线外径为57,即进气口与排气口的公称直径为57,喷淋管采用直管喷孔式,直管上的小孔直径取8,5排。填料支撑装置采用分块式栅板,根据本设计的塔径,设计栅板块数为两块。因为本设计塔高度超过了15m,所以需要装吊柱,吊柱管采用
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