乙醇水精餾塔設計 機械設計部分

1、乙醇（C2H5OH），俗名酒精，是基本的工業(yè)原料之一，與酸堿并重，它作為再生能源猶為受人們的重視。工業(yè)上常用發(fā)酵法（C6H10O5）n和乙烯水化法制取乙醇。乙醇有相當廣泛的用途，除用作燃料，制造飲料和香精外，也是一種重要的有機化工原料，如用乙醇制造乙酸、乙醚等；乙醇又是一種有機溶劑，用于溶解樹脂，制造涂料。眾所周知，在醫(yī)藥衛(wèi)生方面，乙醇作為消毒殺菌劑而造福于人類。人類餐飲飯桌上飲用各種酒品，乙醇也是其中不可或缺的組成部分，如：啤酒含35，葡萄酒含620，黃酒含815，白酒含5070（均為體積分數(shù)）。據(jù)有關資料表明，乙醇對人體具有營養(yǎng)價值?，F(xiàn)在，乙醇成為了一種新型替代能源乙醇汽油。按照我國的國家

2、標準，乙醇汽油是用90%的普通汽油與10%的燃料乙醇調(diào)和而成。它可以有效改善油品的性能和質(zhì)量，降低一氧化碳、碳氫化合物等主要污染物排放。它不影響汽車的行駛性能，還減少有害氣體的排放量。乙醇汽油作為一種新型清潔燃料，是目前世界上可再生能源的發(fā)展重點，符合我國能源替代戰(zhàn)略和可再生能源發(fā)展方向，技術上成熟安全可靠，在我國完全適用，具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益。乙醇精餾是生產(chǎn)乙醇中極為關鍵的環(huán)節(jié)，是重要的化工單元。其工藝路線是否合理、技術裝備性能之優(yōu)劣、生產(chǎn)管理者及操作技術素質(zhì)之高低，均影響乙醇生產(chǎn)的產(chǎn)量及質(zhì)量。工業(yè)上用發(fā)酵法和乙烯水化法生產(chǎn)乙醇，單不管用何種方法生產(chǎn)乙醇，精餾都是其必不可少的單元操作

3、。本次設計的精餾塔是為了精餾乙醇以得到高純度的乙醇，要求達到塔頂餾出物濃度（94%（wt）,塔底濃度（0.1%（wt）。本設計采用篩板塔，板式塔有一下優(yōu)點生產(chǎn)能力大，塔板效率高，壓降低，操作彈性大，結構簡單。一 塔設備任務書簡圖與說明比例設計參數(shù)與要求工作壓力MPa腐蝕速率mm/a設計壓力MPa設計壽命 a20工作溫度ºC浮閥個數(shù)設計溫度ºC120浮閥間距介質(zhì)名稱乙醇、水保溫材料厚度/mm100介質(zhì)密度 kg/m31000保溫材料密度kg/m3300基本風壓 Pa300存留介質(zhì)高度 mm/49地震烈度7殼體材料Q-235A場地類別內(nèi)件材料塔形篩板塔裙座材料Q-235A塔板數(shù)

4、目48偏心質(zhì)量 kg3000塔板間距 mm450偏心距 mm1000接管表符號公稱尺寸連接面形式用途符號公稱尺寸連接面形式用途a1,2450mm人孔g45mm突面回流口b1,2突面溫度計h1-325mm突面取樣口c突面進氣口i1,2突面液面計d1,238mm突面加料口j38mm突面出料口e1,2突面壓力計k1-3450 mm突面人孔f127mm突面排氣口條件內(nèi)容修改修改標記修改內(nèi)容簽字日期備注乙醇-水精餾塔設計單位名稱化工系3班李黎工程名稱提出人李黎日期三 . 塔設備已知條件塔體內(nèi)徑1200場土地類別塔體高度24900偏心品質(zhì)3000設計壓力偏心距1000設計溫度/ºC120塔保溫層

5、厚度100塔體材料Q-235A保溫材料密度300許用應力113裙座材料Q-235B113許用應力113設計溫度下彈性模量2×10-5常溫屈服點235常溫屈服點235設計溫度下彈性模量2×10-5厚度附加量2厚度附加量2塔體焊接頭系數(shù)人孔、平臺數(shù)5介質(zhì)密度1000地腳螺線材料Q-235A塔盤數(shù)48許用應力147每塊塔盤存留介質(zhì)層高度50腐蝕裕量3基本分壓值300個數(shù)4地震設防烈度7表二：已知條件列表四 塔設備設計計算1、 選擇塔體和裙座的材料設計壓力是指設定的容器頂部的最高壓力，由“工藝部分”的工藝條件可知塔頂表壓為4kPa；通常情況下將容器在正常操作情況下容器頂部可能出現(xiàn)的

6、最高工作壓力稱為容器的最大工作壓力用表示，即；取設計壓力。設計溫度是指容器在正常操作情況下，在相應設計壓力下，設定的受壓組件的金屬溫度，其值不得低于容器工作是器壁金屬達到的最高溫度。本設計塔內(nèi)最高溫度塔底取得ºC，設計溫度可以取為ºC。從上可知，設計壓力和設計溫度都屬于低壓、低溫狀態(tài)，塔體和裙座的材料可用：Q235-A，GB912，熱軋，厚度為34mm，常溫下強度指標375MPa、235MPa，設計溫度下的許用應力113MPa。（查表8-6）2、 塔體和封頭壁厚的計算2.1 塔體壁厚的計算塔體的壁厚是值塔體計算出來的有效厚度，有效厚度可以用下式計算（式中為理論計算厚度，mm

7、；為除去負偏差以后的圓整值，mm；為名義厚度，mm；為鋼板厚度負偏差，mm；為腐蝕裕量，mm。）理論計算厚度，其中指塔體的內(nèi)徑，由工藝部分計算可知=；為焊接頭系數(shù)，本設計采用雙面焊、局部無損探傷，。=對于碳素鋼和低合金鋼制容器，而<，且（鋼板厚度按825mm計）。假設腐蝕裕量=2mm。=+=5mm=52=2.2 封頭壁厚的確定根據(jù)塔徑=1200mm，取用標準橢圓形封頭，（查表8-27）可選用EHA的標準橢圓形封頭（JB/T 4746-2002），公稱直徑DN=1200mm，曲面高度300mm，直邊高度25mm，內(nèi)表面積2，容積，厚度6mm，質(zhì)量77kg。3、設備質(zhì)量載荷計算塔設備的操作質(zhì)

8、量：塔設備的最大質(zhì)量：塔設備的最小質(zhì)量：3.1 塔體質(zhì)量單位長度筒體的質(zhì)量：=/m由工藝部分計算可知塔高H=，取裙座高度h=3m；筒體質(zhì)量：=裙座質(zhì)量：由前面可知一個封頭質(zhì)量G=77kg，則有封頭質(zhì)量：77×2=154kg=3.2 塔段內(nèi)件質(zhì)量查數(shù)據(jù)可知篩板塔質(zhì)量；由工藝部分計算可知塔盤數(shù)為N=48塊3526.8 kg3.3 保溫層質(zhì)量保溫材料密度為300kg/m3，厚度為100mm筒體部分保溫層的質(zhì)量：=封頭部分保溫層的質(zhì)量：直邊部分曲面部分直邊部分：曲面部分近似計算為：內(nèi)表面積×厚度×密度××300=50kg封頭部分質(zhì)量2×（0.

9、166+50）=所以，=143+100.23=3.4 平臺、扶梯質(zhì)量本設計用5個鋼制平臺，籠式扶梯，查資料可知剛直平臺和籠式扶梯的單位質(zhì)量分別為：，。=kg3.5 操作時塔內(nèi)物料質(zhì)量由工藝部分計算可知精餾段塔盤數(shù)為39，；提餾段塔盤數(shù)為9，=×=.3.6 附件質(zhì)量按經(jīng)驗取附件質(zhì)量×3807.1=3.7 充液質(zhì)量=3.8 偏心質(zhì)量當塔設備的外側掛有分離器、再沸器、冷凝器等附屬設備時，可將其視為偏心載荷。本設計中將再沸器掛于塔上，所以再沸器構成塔的偏心質(zhì)量，再沸器質(zhì)量為3000kg，偏心距為1000mm。所以=3000kg。3.9 操作質(zhì)量、最小質(zhì)量、最大質(zhì)量 =3807.1+

10、3526.8+243.23+3335.66+951.78+3000=1kg×3526.8+243.23+2950.89+951.78+3000=1kg =3807.1+3526.8+243.23+2950.89+24926.6+951.78+3000=39kg4、 風載荷和風彎距的計算塔設備受風壓作用時，塔體會發(fā)生彎曲變形。吃到塔設備迎風面上的風壓值，隨設備高度的增加而增加。為了計算簡便，將風壓值按塔設備的高度分為幾段，假設每段風壓值各自均勻分布于塔設備的應分面上。本設計中結合塔高，將風壓值分為3段，請參考下圖所示。圖一：塔設備的風壓示意圖各段水平風力的計算各段的水平風力可以用下式計

11、算式中各符號的含義：塔設備各計算段的水平風力；空氣動力系數(shù)，對于圓筒形設備；風振系數(shù)，當H20m時，取，當H20m時，按下式計算=(脈動增大系數(shù)；第i段的脈動影響系數(shù)；第i段振型系數(shù)；風壓高度變化系數(shù))，本設計中H20m；基本分壓值，廠址建在重慶的市區(qū)，基本分壓為300Pa；第i段計算段長度；塔設備各計算段有效直徑，當籠式扶梯與塔頂管線布置成180度時(本設計中按180度處理)，=。=，通過查表近似估算處各段的對0-1段，××300××1×（1210+200+400+127）×10-3對1-2段××300×

12、;×2×（1210+200+400+127）×10-3N對2-3段××300×××（1210+200+400+300+127+2×100）×10-3N對3-4段××300××8×(1210+200+400+300+127+2×100）×10-3N對4-5段××300××8×(1210+200+400+300+127+2×100）×10-3N4.2 危險界面風

13、彎距的計算塔設備的危險接口應取在其較薄弱的部位，如：塔設備的底部00、裙座上人孔或較大管線出孔處的接口11、塔體與裙座連接焊縫處的截面22，本設計將計算這三處塔設備的風彎距。風彎距可以按下式進行計算：.塔底部的風彎距00： =273861裙座上人孔或較大管線出孔處的界面11： =256844塔體與裙座連接焊縫處的截面22 =2235085、 地震載荷和地震彎距計算塔設備在地震波的作用下有三個方向的運動：水平方向振動、垂直方向振動和扭轉，其中以水平方向振動危害較大。地震時使塔設備相對于地面運動的慣性力稱為地震力。在一般計算中只考慮水平地震力對設備的作用。5.1 地震載荷水平地震載力任意高度處的集

14、中品質(zhì)引起的基本振型水平地震力/N按下式計算：式中：綜合影響系數(shù)，?。痪嗟孛嫣幍募衅焚|(zhì)；對應于塔設備自振周期他T1的地震影響系數(shù)值，；基本振型參與系數(shù)，=塔設備的自振周期(×105MPa，H=)=取地震烈度為7級可查得；場地土為II近振，特征周期所以有=(0.3/1.61)×。塔設備各段質(zhì)量可以近似的按下表中的處理5.1.2 垂直地震力塔設備的垂直地震力按下式計算：（；) ，所以有：任意質(zhì)量處垂直地震力按下式計算：=塔段0112233445長度/m1288各點距地面高度/mm500200059501290020900質(zhì)量/ kg374/N/N表三：水平、垂直地震力（以上計

15、算均由Excel自動生成）5.1.3 地震彎距對于等直徑、等壁厚塔設備的任意截面I-I和底截面00底基本振型地震彎距分別按下式進行計算：當塔設備H/D>15或時還需考慮高振型的影響，在進行穩(wěn)定和其它驗算時，可以按下式進行計算：同計算風彎距一樣，對危險截面進行地震彎距的計算，因為，所以=6、偏心載荷和偏心彎距的計算由前面計算可知，7、最大彎距的計算塔設備任意計算截面I-I處的最大彎距按下式進行計算=Max，同前面計算，本設計將對危險截面進行計算，如下表所示截面001122，273861256844223508，2.94 ，3032612862442529081609071531091377

16、01，303261286244252908表四：求最大彎距8、塔體危險截面強度和穩(wěn)定性校核8.1 圓筒軸向應力圓筒任意計算截面I-I處的軸向應力分別按下式進行計算。由于內(nèi)壓和外壓引起的軸向應力：由于重力和垂直地震力引起的軸向應力：（其中僅在最大彎距為地震彎距參與組合時計入此項）。最大彎距引起的軸向應力：8.2 圓筒穩(wěn)定性校核圓筒許用軸向應力按下式確定：圓筒最大組合拉應力按下二式進行校核：內(nèi)壓塔器：+；外壓塔器：+具體軸向應力求法和校核如下表所示：計算內(nèi)容計算公式及數(shù)據(jù)00截面11截面22截面有效厚度，mm筒體內(nèi)徑，mm1200計算截面以上的操作質(zhì)量，kg1766817294設計壓力引起的軸向應

17、力，MPa=00操作質(zhì)量引起的軸向應力，MPa最大彎距引起的軸向應力，MPa載荷組合系數(shù)K系數(shù)A設計溫度下材料的許用應力查表可知（Q-235A，120度）的=113MPa113113113系數(shù)B，MPa117117117KB，MPa許用軸向應力取KB和中的較小者圓筒最大組合應力+對內(nèi)壓容器+（滿足條件）圓筒最大組合拉應力對內(nèi)壓容器滿足條件表五：軸向應力的求取及校核9、 裙座的強度和穩(wěn)定性校核塔設備常采用裙座支承，并根據(jù)承載的不同，分為圓筒形和圓錐形兩種。由于圓筒形裙座制造方便，被廣泛采用。但需要配置較多的地腳螺栓和具有足夠大承載面積的基礎環(huán)，以防止由于風載荷或地震載荷所引起的彎距而造成翻到。若

18、經(jīng)應力校核不能滿足，只能選用圓錐形裙座支承。圓筒形裙座軸向應力校核首先選取裙座的危險截面。危險截面的位置，一般取裙座底截面或裙座檢查孔和較大管線引出孔截面處。然后按裙座有效厚度驗算危險截面的應力。9.1 裙座底截面的組合應力裙座底截面的組合應力按下式進行校核（僅在最大彎距為地震彎距參與組合時計入此項；裙座底部截面積，；裙座圓筒和錐殼的底部截面系數(shù)，。）由上計算可知：裙座有效厚度、裙座筒體內(nèi)徑、0-0截面處最大彎距和操作質(zhì)量分別為：，=303261，0-0截面積和截面系數(shù)分別為：=3.14×1200×2.5=9420，0.785×12002×2.5=2.8

19、26×106裙座許用應力：Min ,， Min ,滿足條件，材料安全9.2 裙座檢查孔和較大管線引出孔截面處組合應力裙座檢查孔和較大管線引出孔hh截面處組合應力按下式進行校核和本設計中檢查孔加強管長度、加強管水平方向的最大寬度、加強管厚度和裙座內(nèi)徑分別為：， =90909420×12002×22×（300×1200×）=1-1截面處最大彎距、風彎距、以上操作質(zhì)量和最大質(zhì)量分別為=286244，256844，17668kg，10、塔設備壓力試驗時的應力校核10.1 圓筒應力試驗壓力引起的周向應力：，本設計采用水壓試驗，所以=/cm3,

20、試驗壓力引起的軸向應力：2-2截面處的最大質(zhì)量和風彎距分別為：=，重力引起的軸向應力：彎距引起的軸向應力：10.2 應力校核液壓試驗時：從上計算可知，材料安全。11、基礎環(huán)設計裙座外徑：基礎環(huán)外徑：基礎環(huán)內(nèi)徑：基礎環(huán)伸出寬度：相鄰倆筋板最大外側間距：基礎環(huán)面積：基礎環(huán)截面系數(shù)：水壓試驗時壓應力：操作時壓應力：混凝土基礎上的最大壓力：由，可以查得對X軸和Y軸的彎距分別為，計算力矩：有筋板時基礎環(huán)厚度：取=12mm12、螺栓計算最大拉應力：基礎環(huán)中螺栓承受的最大拉應力：所以塔必須設置地腳螺栓，取地腳螺栓為6個。地腳螺栓螺紋小徑：（其中147MPa），故6M42地腳螺栓滿足要求。五、結構設計在板式塔

21、內(nèi)沿塔高裝置了若干層塔盤，液體靠重力作用由塔頂逐盤流向塔底，并在各塊塔盤面上形成流動的液層；氣體則靠壓強差推動，由塔底向上一次穿過各塔盤上的液層而升至塔頂。氣液兩相在各塔盤上直接接觸完成熱量和質(zhì)量的傳遞，兩者組成沿塔高呈階梯式變化。 塔盤是板式塔內(nèi)氣、液接觸的主要元件。塔盤要有一定的剛，以維持水平，使塔盤上的液層深度相對均勻；塔盤與塔壁之間應有一定的密封性，以避免氣、液短路；塔盤應便于制造、安裝、維修，并且成本要低。 本設計中塔盤設計如下圖所示：塔內(nèi)徑1200mm塔盤開孔類型閥孔排列形式正三角形排列塔盤方式分塊式塔盤閥孔中心距12mm塔盤間距450mm浮閥個數(shù)4005個流程單流程開孔率10.1

22、%降液管型弓形溢流堰堰長700mm堰高精餾段mm；提餾段 49mm表六：塔結構設計六、符號列表英文/希臘中文英文/希臘中文內(nèi)徑，mm基本振型參與系數(shù)塔高，m綜合影響系數(shù)工作壓力/設計壓力，MPa地震影響系數(shù)，地震影響系數(shù)最大值設計溫度，水平地震力，N計算厚度（理論厚度），mm當量質(zhì)量，kg名義厚度，有效厚度，mm各類場地土的特征周期，s負偏差，mm截面處的垂直地震力，N腐蝕裕量，mm截面處的地震彎距，除去負偏差以后的圓整值，mm各計算段的外徑，有效直徑，mm屈服極限，強度極限，MPa塔底管線外徑，mm地腳螺栓的許用應力，MPa第i段保溫層厚度，管線保溫層厚度，mm許用應力，MPa，各計算段長度

23、，有效直徑，mm裙座許用應力，MPa籠式扶梯當量長度操作平臺當量寬度，mm焊接接頭系數(shù)風壓高度變化系數(shù)基本風壓值，Pa體型系數(shù)質(zhì)量，偏心質(zhì)量，kg各計算段的風振系數(shù)偏心距，mm各計算段的水平風力保溫層厚度，mm截面處風彎距，介質(zhì)密度，保溫層密度，kg/m3操作、最小、最大質(zhì)量，kg設計壓力，操作質(zhì)量，最大彎距引起的軸向應力，MPa塔設備自振周期，s載荷組合系數(shù)各操作段質(zhì)量，kg壓力試驗時圓筒材料的許用軸向壓應力，MPa各點距地面的高度，mm裙座有效厚度，裙座筒體內(nèi)徑，mm0-0截面積，mm2，0-0截面系數(shù)，mm30-0截面操作質(zhì)量，kg檢查孔加強管長度，mm檢查孔加強管水平方向最大寬度，mm

24、裙座內(nèi)徑，mm1-1截面處裙座筒體截面積截面系數(shù)，mm2，mm3裙座外徑，mm，基礎環(huán)外徑，內(nèi)徑，mm基礎環(huán)伸出寬度，mm基礎環(huán)面積，mm2相鄰筋板最大外側間距，mm基礎環(huán)截面系數(shù)，mm3基礎環(huán)材料的許用應力MPa水壓試驗時壓應力，操作時壓應力，MPa混凝土基礎上的最大壓力MPa最大拉應力，MPa基礎環(huán)中螺栓承受的最大拉應力，MPa地腳螺栓個數(shù)min，max最小，最大七、參考文獻1 蔡紀寧, 張秋翔. 化工設備機械基礎課程設計指導書. 北京: 化學工業(yè)出版社, 20052 董大勤. 化工設備機械基礎. 北京: 化學工業(yè)出版社, 20033 陳國理. 壓力容器及化工設備. 廣州: 華南理工大學出版社, 19954 夏頌祺, 丁伯民. 鋼