脱重塔毕业设计.doc
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脱重塔毕业设计.doc
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本科毕业设计(论文)
脱重塔的结构设计
StructuralDesignofDe-heavyTower
学院:
机械工程学院
专业班级:
过程装备与控制工程
学生姓名:
学号:
指导教师:
徐舒
2013年5月
毕业设计(论文)中文摘要
脱重塔的结构设计
摘要:
脱重塔作为附属装置,通过分离方法,在脱重塔的塔顶注入水,可以把进入脱重塔的蒸汽带出的溶剂洗下来,并在塔釜回收。
本文根据相关标准,对给定参数的板式塔进行了设计。
经过计算确定了满足工艺要求的板式塔的主体尺寸,对一些危险截面进行了风载荷、地震载荷的计算,并重点进行强度校核和稳定性校核,并对焊接处进行了补强计算。
经机械设计完成了地脚螺栓、基础环、筋板、盖板、塔盘等零部件的选定及相应零部件间连接方式的确定。
所涉及的板式塔满足了给定工艺条件的要求。
此外还根据开孔补强及材料选择原则等,进行了补强设计,并对其进行了水压试验及壳体强度校核、设备制造检测的要求等设计要点进行了详细介绍,为同类产品设计提供了一定的参考经验。
该脱重塔塔的主要优点是:
脱重塔通过脱掉物料中的多余重组分,提取高纯度的物料,且能耗低,效率高。
关键词:
结构设计;脱重塔;强度校核
毕业设计(论文)外文摘要
Structuraldesignofde-heavyfractionator
Abstract:
Thede-heavyfractionatorastheaccessorydevice,bythemethodsofseparation,injectingwateronthetopofthede-heavyfractionator,andwashdownthesolventofsteamintothede-heavyfractionator,whichcanberecycledinthekettle.Accordingtotherelatedstandard,hascarriedonthedesignoftheplatecolumnforagivenparameter.Aftercalculationandthemainsizeofthetowerequipmentisdetermined,whichmeetthetechnologicalrequirementsofthetower.Thewindload,andtheearthquakeloadofsomedangeroussectionshavealsobeenchecked.Moreover,thestrengthcheckandthestabilitycheckofthedangeroussectionshavebeenonstrictlyandtheconnectionpatternofthecorrespondingpartshavealsobeendetermined.Duringthemechanicaldesignphase,theanchorbolts,thebasering,ribs,coverplateandtrays,etc,andthedeterminationtheconnectionpatternofthecorrespondingparts.Theplatetowerinvolvedinthepapermeettherequirementsofagivenprocesscondition.Inaddition,accordingtothereinforcementofholesandprinciplesofmaterialselection,etc.,thereinforcementdesign,andopeningreinforcementandprinciplesofmaterialselection,etc.,andthewaterpressuretestandtherequirementofshellstrengthchecking,equipmentmanufacturing,testingdesignpointsareintroducedindetail,providingacertainreferencefordesignofthesamekindofproductexperience.Themainadvantagesofthede-heavyfractionatoris:
thede-heavyfractionatorthroughtakeoffhisexcessarestructuringinthematerial,extracthighpuritymaterials,andlowenergyconsumption,highefficiency.
Keywords:
Thestructuraldesign;Methanolsynthesis;Strengthcheck
目录
1绪论………………………………………………………………………………1
2塔的结构设计……………………………………………………………………3
2.1塔板……………………………………………………………………………3
2.2降液装置结构型式……………………………………………………………3
2.3受液盘………………………………………………………………………3
2.4人孔……………………………………………………………………………2
2.5裙座……………………………………………………………………3
2.6吊柱………………………………………………………………………2
2.7法兰及封头的设计…………………………………………………………3
3机械设计……………………………………………………………………3
3.1塔器强度计算…………………………………………………………………3
3.2塔器质量计算…………………………………………………………………6
3.3塔器自身基本自振周期计算…………………………………………………7
3.4地震载荷和地震弯矩计算……………………………………………………9
3.5风载荷和风弯矩计算……………………………………………………11
3.6各计算截面的最大弯矩………………………………………………………13
3.7圆筒应力校核…………………………………………………………………13
3.8裙座壳轴向应力校核…………………………………………………16
3.9基础环厚度计算……………………………………………………………17
3.10地脚螺栓计算………………………………………………………………19
3.11裙座和壳体的连接焊缝验算(对接焊缝)…………………………………22
3.12塔设备挠度计算……………………………………………………………22
3.13开孔接管及补强设计…………………………………………………………23
4技术要求…………………………………………………………………31
结论………………………………………………………………………………33
致谢………………………………………………………………………………34
参考文献……………………………………………………………………………35
附表清单:
表1分段塔器各段质量……………………………………………………………8表2风载荷计算……………………………………………………………………9
表3塔器各段弯矩计算……………………………………………………………11
表4I-I截面处的强度和稳定性计算………………………………………………15
表5接管外径与最小壁厚…………………………………………………………23
表6其他无须另行补强的开孔接管尺寸…………………………………………31
第34页共35页
淮海工学院二〇一三届本科毕业设计(论文)
1绪论
塔设备是化工、石油化工和炼油等生产中重要的设备之一。
它可使气(汽)液或液液两相之间进行紧密接触,达到相际传质和传热的目的。
可在塔设备中完成的常见的单元操作有:
精馏、吸收、解吸和萃取等。
此外,工业气体的冷却与回收、气体的湿法净制和干燥,以及兼有气液两项传质和传热的增湿、减湿等。
在化工厂、石油化工厂、炼油厂等中,塔设备的性能对于整个装置的产品产量、质量、生产能力和消耗定额,以及三废处理和环境保护等各个方面,都有重大的影响。
据有关资料报道,塔设备的投资费用占整个工艺设备投资用的较大比例;它所耗用的刚才重量在各类工艺设备中也属最多。
因此,塔设备的设计和研究,受到化工、炼油等行业的极大重视。
塔设备经过长期发展,形成了形式繁多的结构,以满足各方面的特殊需求。
为了便与研究和比较,人们从不同角度对塔设备进行分类。
例如:
按操作压力分为加压塔、常压塔和减压塔;按单元操作分为精馏塔、吸收塔、解吸塔、萃取塔、反应塔和干燥塔;按形成相际接触界面的方式分为具有固定相界面的塔和流动过程中形成的相界面的塔;也有按塔釜形式分类的。
但长期以来,最常用的分类是按塔的内件结构分为板式塔和填料塔两大类,还有几种装有机械运动构件的塔。
随着塔设备技术的发展,各行业国家还陆续制订了多种气液接触元件及有关塔盘制造、安装、验收的标准规范和技术条件等,以保证塔设备运行的质量和缩短其制造、安装周期,进而减少设备的投资费用。
当然盲目的套用标准或是忽视标准等修订工作,也会对技术的发展起到阻碍作用。
目前,我国常用的板式塔型仍为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔和舌形塔等,填料种类除拉西环、鲍尔环外,阶梯环以及波纹填料、金属丝网填料等规整填料也常采用。
近年来,参考国外塔设备技术的发展动向,加强了对筛板塔的科研工作,提出了斜孔塔和浮动喷射塔等新塔型。
对多降液管塔盘、导向筛网孔塔盘等,也都做了较多的研究,并推广应用于生产。
其他如大孔径筛板、双孔径筛板、穿流式可调开孔率筛板、浮阀-筛板复合塔盘等多种塔型的试验工作也在进行,有些已取得一定的成果或用于生产。
随着我国国名经济快速发展,作为国民经济支柱产业的化工、石油化工等行业发展的加速,对压力容器的设计需求增加,要求也不断提高。
于是大部分的设计工作者也走出办公室,走入化工设备制造厂,进入施工安装现场监察、学习。
设计过程是多种有机结合大的媒介。
换言之,把物质资源转变为一种新的产品或是形成一种有效的服务能力要取决于多方面因素的有机结合,如科研成果,技术发明,材料,人力和资金等。
该说明书的设计包括计算塔设备的结构参数,并对设备进行强度的计算及稳定性的校核,以及开孔补强设计等。
在给定设计参数的前提下,按设计的一般步骤进行设计,
(1)明确设计任务;
(2)总体设计;(3)详细结构设计与强度设计;4)绘制该设备工程图纸、编写材料等。
通过对该课题的研究预期达到以下目标:
(1)通过查阅有关该设备设计的中英文文献,培养应用文献资料和外语的能力;
(2)通过对该设备的设计,掌握化工设备设计的一般过程;(3)通过上机绘制装配图来进一步训练自己的计算机应用能力。
该设计基于本人四年学习,在掌握必要的机械设计基础知识,初步具备压力容器和化工设备的设计能力的前提下,根据化工工艺类专业对学习化工设备的基本要求,与化工原理课程设计等结合起来。
理论联系实际,实用性强。
说明书中所用的标准和规范采用最新颁布的国家标准、行业标准和部颁标准。
2塔的结构设计
2.1塔板
由工艺给定,塔板数为28,板间距为450mm。
考虑到塔的直径较大,为了便于安装、检修清洗,选用分块式塔板,材料为Q235-A。
由于人孔的限制,还要考虑结构强度、塔板开孔的均匀性和一定的互换性,将塔板分为5块,包括2块弓形板,2块矩形板,1块通道板。
各塔板尺寸参考文献[8]。
2.2降液装置的结构型式
对于分块式塔板的降液结构,分为可装拆式和焊接固定式两种。
本设计采用焊接固定式,降液管型式为倾斜式,可扩大塔板的有效面积。
2.3受液盘
为了保证降液管出口的液封,在塔板上设置受液盘。
受液盘有平型和凹型两种。
本设计选用凹型受液盘,对液体流向有缓冲作用,可降低塔板入口处的液封,使得液体流动平稳。
2.4人孔
根据塔高确定人孔的位置,一般在常需要检修的气液出入口设置人孔。
塔釜和塔顶也应设置人孔。
选定人孔数为6。
采用HG21514标准,公称直径定位500mm。
在设置人孔处,板间距的大小应根据人孔的直径确定,该处板间距应不小于600。
2.5裙座
为支撑大重量的塔设备,选用裙式支座来支承。
裙座的结构型式为圆筒形,裙座的高度根据接管的长度和直径,以及其他支承件等来确定,选为6400mm。
因为裙座不直接接触被处理介质,也不承受塔内戒指的压力,故选择经济型的碳素钢为制造材料。
选用Q235-A。
2.6吊柱的选择
按HG/T21639-2005标准,选择塔顶吊柱G=500kg,S=1400mm。
2.7法兰及封头的设计
法兰选用假性平焊法兰,封头选用椭圆形封头。
关于法兰和封头的尺寸参考文献[3]、[5]。
3机械设计
3.1塔器强度计算
3.1.1选材
本塔筒体选用材料为Q235-B,封头选用材料Q235-B,裙座选用材料Q235-A,地脚螺栓选用材料Q235-A。
3.1.2塔体壁厚计算
(1)设计参数
①设计压力=0.30MPa
②设计温度160C
③腐蚀裕度C=4.5mm
④焊缝系数0.85
⑤内径
⑥高度H=22400mm
⑦地震烈度:
8度
(2)筒体的厚度计算
①计算厚度δ
根据《过程设备设计》中P112的式4-13的厚度计算公式
(3-1)
式中计算压力=0.30+0.157=0.457MPa,=0.85,=1900mm。
其中为液柱静压力,
在GB150-98中查取160℃下Q235-B的=110MPa,
mm
②设计厚度
(3-2)
取腐蚀裕度=4.5mm,则
=4.7+4.5=9.2mm
③名义厚度
(3-3)
Q235-B厚度负偏差查《过程设备设计》P108表4-2,取=0.8mm,则
=9.2+0.8=10.0mm
圆整至钢材标准规格,名义厚度取=12mm。
④有效厚度
(3-4)
=12-4.5-0.8
=6.7mm
由GBl50-98规定有效厚度应不小于内直径的0.15%,即
=6.7mm>=1900×0.0015=2.9mm
故满足稳定性要求。
(3)封头厚度计算
①计算厚度
根据GBl50-98,椭圆形封头形状系数
选用标准椭圆形封头,此时K=1
根据GB150-98中式7-1得
(3-5)
②设计厚度
同样取腐蚀裕度=4.5mm
=4.649+4.5=9.949mm(3-6)
③名义厚度
同样取刚才负偏差=0.8mm,
=9.149+0.8=9.949mm(3-7)
圆整至刚才标准规格,取12mm。
则封头尺寸标准为DN=1900mm,曲面高度=475mm,直边高度=40mm,=12mm。
④有效厚度
=12-4.5-0.8=6.7mm(3-8)
由GN150-98中规定标准椭圆形封头的有效厚度应不小于封头内径的0.15%,即6.7>。
故满足稳定性要求。
(4)裙座的壁厚计算
由于裙座承载的是塔体总重量,根据经验,取裙座的壁厚为12mm。
3.2塔器质量计算
⑴设备各部分重量
(3-9)
人孔、法兰、接管与附件质量
(3-10)
内构件质量(浮阀塔盘单位质量为)(查GB150-98附录E)
(3-11)
式中28为塔盘数。
保温材料质量
=2417.56kg(3-12)
平台、扶梯质量
平台为150kg/m,6个,1.1m宽。
笼式扶梯单位质量40kg/m,查GB150-98附录E。
(3-13)
操作时塔内物料质量(溶剂油的密度为670kg/m)
(3-14)
充水质量
(3-15)
(2)塔器操作质量
(3-16)
(3)塔器最大质量
(3-17)
(4)塔器最小质量
(3-18)
3.3塔器自身基本自振周期计算
将塔沿高度分为10段,分段情况如图6所示。
等直径等壁厚塔体基本自振周期按下式(1-19)计算
=
=0.66s<3s(3-19)
式中,E=0.208GPa(查GB150-98),H=22400mm,=6.7mm,=1900mm
故=0.66s
图1塔分段图
表1分段塔器各段质量
塔段
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
塔板数
0
0
0
2
5
5
5
5
5
1
人孔
0
0
1
1
1
0
1
1
0
1
平台
0
0
1
1
1
0
1
1
0
1
1698
1924.4
1132
1132
1132
1132
1132
1132
1132
1132
0
0
0
637.95
637.95
637.95
637.95
637.95
637.95
425.3
0
0
302.02
302.02
302.02
302.02
302.02
302.02
302.02
302.02
120
136
863.77
863.77
863.77
80
863.77
863.77
80
863.77
0
0
0
427.42
712.35
712.35
712.35
712.35
712.35
284.94
424.5
481.1
283
283
283
283
283
283
283
283
0
0
5670.58
5670.58
5670.58
5670.58
5670.58
5670.58
5670.58
5670.58
2242.5
2541.5
2580.97
3646.34
3931.27
3147.5
3931.27
3931.27
3147.5
3291.21
2242.5
2541.5
8251.55
8889.0
8889.0
8889.0
8889.0
8889.0
8889.0
8676.35
2242.5
2541.5
3028.854
3507.194
3507.194
1924.794
3507.194
3507.194
1924.794
3464.664
3.4地震载荷与地震弯矩计算
按上式计算质量的方法将塔分为10段,每段的质量集中在该段中心处,各段集中质量的水平地震力及计算截面引起的弯矩列于表2:
表2塔器各段弯矩计算
塔段号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
操作质量;kg
2242.5
2541.5
2580.97
3646.34
3931.27
3147.5
3931.27
3931.27
3147.5
3291.21
集中质量距地面
高度;mm
1500
4700
7400
9400
11400
13400
15400
17400
19400
21400
0.58095
3.2222
6.3657
9.1136
12.172
15.512
19.111
22.952
27.021
31.306
0.1303
0.8189
1.6430
3.3231
4.7851
4.8824
7.5130
9.0231
8.5049
10.3035
0.00757
0.2637
1.0459
3.0286
5.8245
7.5736
14.358
20.7097
22.9810
32.2560
A=
5.0927(i,i=1--10)
B=
1.0805(i,i=1--10)
0.03
0.15
0.30
0.43
0.57
0.73
0.89
1.07
1.26
0.19(II类场地,地震)
9.81
N
125.39
710.57
1443.20
2922.46
4176.67
4282.64
6521.57
7840.42
7391.95
9017.70
0.104
33703.6725
3.4386
0.3364
1.1945
1.9099
3.4
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