DN1100舌形塔設計含9張CAD圖帶開題報告-獨家.zip,DN1100,舌形塔,設計,CAD,開題,報告,獨家
DN1100舌形塔設計
摘 要
設計一舌形塔，用于分離甲醇與水的混合溶液，并給定塔高，塔徑等相關參數(shù)。
由于為第一次接觸化工類塔設備，按照老師要求，初期借閱，查看了許多化工設備相關書籍，深入了解了化工方面的許多知識，弄懂了舌形塔的工作原理，初步確定了設計思路與設計方向。
本次設計主要偏向于工藝設計之后的機械設計部分。在老師的指導與幫助下，進行了舌形塔的主體結構設計與零部件的設計及塔座的確定，各部分材料的選取。主要進行了此舌形塔載荷的分析，強度的校核與穩(wěn)定性的驗算，并繪制了舌形塔的裝配圖與一些零件圖，給出設計要求，使設計符合相關標準，滿足安全生產的要求。綜合，整理,完成了設計說明書的編寫。
關鍵詞：舌形塔；塔盤；甲醇；強度；
ABSTRACT
Design a tongue tower, used to separate the mixture solution of methanol and water, and the relative parameters such as tower height and tower diameter.
Because for the first time contact chemical tower equipment, in accordance with the requirements for the teacher, the early library, see a lot of chemical equipment related books, many of them understand the chemical industry knowledge, understand the working principle of tower of tongue, preliminarily determines the design thinking and design direction.
This design mainly focuses on the mechanical design after the process design. With the guidance and help of the teachers, the design of the main structure of the tongue tower and the design of the parts and the determination of the tower, the selection of the materials. Mainly analyzed the tongue tower load, strength and stability checking calculation, and draw the tongue shape some assembly drawing and part drawing of the tower, gives the design requirements, make a design to comply with relevant standards, to meet the requirements of the safety in production. Comprehensive, finishing the writing of the design specification.
Keywords : tongue tower; Tray; Methanol; Strength;
II
目錄
摘 要 I
1緒論 1
1.1塔設備的概述 1
1.1.1塔設備在化工生產中的作用與地位 1
1.1.2 化工生產對塔設備的要求 1
1.1.3塔設備的構造 1
1.2 液體混合物的分餾 2
1.3 塔設備設計的內容與設計原則 2
1.3.1 設計內容 2
1.3.2 設計原則 2
2 舌形塔的主體結構及零部件結構設計 4
2.1 舌形塔的主體結構設計 4
2.2 舌形塔的零部件結構設計 4
2.2.1 舌形塔材料的選擇 4
2.2.2 塔盤的結構設計 5
2.2.3分塊式塔盤的支撐結構 5
2.2.4 裙座的結構設計 5
3舌形塔其他附屬裝置的結構設計 7
3.1溢流裝置 7
3.1.1 降液管 7
3.1.2 受液盤 7
3.2進出口管裝置 8
3.2.1 進料管 8
3.2.2 出料管 8
3.3人孔與手孔 9
3.4視鏡 9
3.5液面計 9
3.6法蘭 10
3.7補強圈 10
3.8除沫器 10
4. 塔強度計算與校核及驗算 11
4.1塔板主要工藝尺寸的計算 11
4.2 舌型塔壁厚初算 12
4.2.2封頭壁厚計算 12
4.3塔體各項載荷計算 13
4.3.1質量載荷計算 13
4.3.2風載荷計算 14
4.3.3最大彎矩計算 16
4.4.塔體的強度及軸向穩(wěn)定性驗算 16
4.4.1舌形塔外殼軸向應力分析 16
4.4.3圓筒拉應力校核 17
4.4.4塔體液壓試驗時的應力校核 17
4.5.裙座的設計及驗算 18
4.5.1座體 18
4.5.2基礎環(huán) 20
4.6裙座與塔體對接焊縫的驗算 22
5舌形塔的制造、安裝及運輸 23
5.1 材料檢驗 23
5.2 筒體制造 23
5.2.1 筒體的下料 23
5.2.2 筒節(jié)的成形 23
5.2.3 筒節(jié)的組對 23
5.2.4 筒節(jié)與筒節(jié)的組對焊接 23
5.2.5 筒體主焊縫的檢測 23
5.3舌形塔的安裝 23
5.3.1 安裝前的準備 23
5.3.2 安裝程序 24
5.4舌形塔的運輸 24
6 加工工藝和裝配程序及安全防腐 25
6.1 加工工藝 25
6.2 裝配程序 25
6.3 安全防腐 25
6.3.1 開發(fā)耐蝕材料 25
6.3.2 其他表面工程技術 25
結論 27
致謝 28
參考文獻 29
1緒論
1.1塔設備的概述
1.1.1塔設備在化工生產中的作用與地位
塔設備廣泛用于精餾。吸收萃取，離子交換等化工操作單元中。比如在煉油加工、化工精煉等方面都離不開塔設備來加工得到的。塔設備的質量可以達到幾百多噸重，大都是龐大的外形，有的是十幾米或幾十米的直徑，大多數(shù)是安裝在室外使用。蒸餾是塔設備的作用之一，現(xiàn)代技術發(fā)展有了很大變化，塔的用途方面也得到了很大的提升，塔設備在石油化工方面也是上升到了其他設備不可代替的地步，如環(huán)保、化工、醫(yī)藥等等。而在化工生產的主要分離方法有萃取、精餾、解吸以及吸收等。還有就是離子交換、干燥或者吸附等操作塔也能完成。塔設備在工業(yè)上的作用廣泛且隨現(xiàn)代工業(yè)不斷更新?lián)Q代，人們對塔設備的重視和研發(fā)工作也在不斷的提升。
1.1.2 化工生產對塔設備的要求
塔設備在化工生產中的主要要求有以下幾個方面
（1）生產力強。符合工業(yè)要求的前提下提高生產率。
（2）穩(wěn)定性好，彈性大。 在生產工作要求下，塔設備應該具備既能有高效的傳質率也可以使操作的穩(wěn)定高，還能維持連續(xù)長期生產。
（3）能耗低。從經濟性的角度分析，最大化減小重大功能的消耗，如生產過程中液體對塔設備所造成的熱量損失、壓降、阻力等因素。
（4）結構合理。在設計塔的結構時，要在符合生產工藝的基礎上，綜合考慮塔安裝、維修等方面要利于員工的操作。
（5）合理選擇材料。在設計塔的生產要求達到以后，要盡量提高材料的利用率來體現(xiàn)塔的經濟性。
不同的塔型都有著其優(yōu)點與缺點，在設計與選擇時，應綜合考慮各方面因素，物料情況，選擇合適的塔型。
1.1.3塔設備的構造
塔設備的構造主要由以下幾個部分組成：
(1)塔體
塔體的主要組成部件就是筒體，也就是塔的外殼，直徑和壁厚很多塔都是一樣的，還有封頭的上蓋和下蓋，形狀為橢圓形。塔體的工藝要求也有很多，在滿足生產工藝的同時也要考慮塔體的垂直度和彎曲度符合自然的安裝與運輸，將誤差控制在允許范圍內。
(2)塔體支座
塔體支座是將塔體安放到基礎上的連接部分，用來保證塔體能夠安放到確定位置能夠正常工作。塔體支座在強度和剛度方面都要比其他部件高，因為不僅用來承載塔的質量和生產原料的質量，還要承受外來自然因素的影響，如抵抗自然風和地震破壞等?，F(xiàn)在用的最多的是裙式支座。
(3)除沫器
除沫器用于分離塔中氣體夾帶的液滴，提高純率。一般在塔頂設置除沫器。
(4)接管
塔設備的接管作用是連接工藝管路，將塔設備與各部件組成一個系統(tǒng)。
(5)人孔和手孔
手孔與人孔是為了檢查設備內部空間以及安裝和拆卸設備的內部構件。
(6)吊耳
由于塔設備外形日趨龐大，吊耳可以方便的解決塔設備在安裝，運輸上的問題。
(7)吊柱
由于本次設計塔比較高，所以設置吊柱，便于檢修，安裝，拆卸內件。
1.2 液體混合物的分餾
現(xiàn)在在化工石油工業(yè)生產中經常用的是分餾法區(qū)分離液體混合物。液體分餾的原理是將各種物質因為分子大小、沸點不一樣，通過塔設備對液體和氣體不斷的轉換，從而達到分離效果。本次設計的舌型塔是用來分離甲醇-水溶液。在舌型塔內進行分餾操作時，蒸汽從塔底往上升，液體從塔頂往下流，再經過冷凝器和再沸器分別對氣體進行冷卻操作，對原料通過加熱等，有時為了保證分餾有效進行，還會安裝原料液預熱器、回流液泵等輔助設備。
1.3 塔設備設計的內容與設計原則
1.3.1 設計內容
本設計為舌形塔設計，此次設計偏重于機械設計方面。首先是對塔體的結構進行設計，之后設計附屬裝置，計算塔設備的強度、剛度、載荷和穩(wěn)定性，最后計算塔設備的強度、剛度、最后結合制造、安裝、保養(yǎng)等實際需求做防腐工作
1.3.2 設計原則
為了達到實際生產過程中高效、高產、低能耗等要求，主要具體考慮以下幾點。
（1） 滿足工藝和操作的要求
設計工藝和設備要有一定的靈活性，可方便調節(jié)流動和傳熱。在合適的位置安裝一些實用儀表，方便觀察塔內情況和控制生產過程。
（2）經濟合理
在滿足舌形塔設計要求的情況下，選材立足國內。
（3） 保證生產安全
舌形塔應具有一定剛度和強度，結合安裝地點，使舌形塔能抵抗正常工作過程中的各種載荷以及各自然因素所產生的破壞。
2 舌形塔的主體結構及零部件結構設計
2.1 舌形塔的主體結構設計
舌形塔由塔體、內件、及支座等部件組成，如圖1、圖2所示。
圖1 總體結構圖 圖2 三維立體簡圖
舌形塔塔體由圓柱型筒體和各種凸形封頭或平板封頭組成，作為容器主體的圓柱形筒體，制造簡單，塔內部件安裝方便，而且承壓能力好應此應用廣泛。舌型塔為一般化工塔，鋼材能滿足設計要求。我選取的是Q235-A。在塔體上設有各種零部件和許多接管，與塔體一起構成一個系統(tǒng)，進行分離操作。為了方便操作、安裝和檢修，在塔體上裝吊柱、扶梯平臺。在塔底上焊上一定數(shù)量的支撐圈來安裝保溫材料。舌形塔采用裙座支承。
本次設計分離的為甲醇-水混合溶液。
2.2舌形塔的零部件結構設計
2.2.1 舌形塔材料的選擇
舌形塔為一般化工塔，塔設備材料的選擇中，鋼材與其他材料相比，有很多優(yōu)點。
舌形塔的塔板，以鋼材為主，其他材料為輔。
2.2.2 塔盤的結構設計
塔板在結構方面有一定的剛度要求，需維持板的水平。塔板間需要有密封性，避免氣體、液體短路。塔板還應滿足便于安裝拆卸。本次設計，塔徑為1100mm，采用分塊式塔盤結構。
分塊式塔盤的結構特點：
(1) 結構簡單，裝拆方便。
將塔盤板沖壓折邊，使其有足夠的剛度，能優(yōu)化塔盤結構，還省鋼材。
(2)制造方便，模具簡單。
塔盤板安放在塔壁上的支持圈上，采用楔形連接，楔形緊固件結構簡單、更便于拆裝。
2.2.3分塊式塔盤的支撐結構
塔盤板是通過人孔送進塔內的，安裝在塔內固定件上。
2.2.4 裙座的結構設計
裙座是最常見的塔設備支撐結構。按照所支撐設備的高度與直徑比，裙座可分為圓筒形和圓錐形兩種。圓筒形裙座結構簡單，制造方便。但對于承受較大風載荷和地震載荷的塔，需要配置較多的地腳螺栓，則采用圓錐形裙座支撐結構。本次設計采用圓錐形裙座，裙座材料為Q235-B。
裙座與塔體的連接采用焊接。并且在接點外觀上是圓滑的，進行超聲檢測。由于搭接型式受力差，搭接焊縫需填滿。
圓筒形裙座和圓錐形裙座的結構圖如圖3所示。
5
圖3 上為圓筒形裙座，下為圓錐形裙座
3舌形塔其他附屬裝置的結構設計
3.1溢流裝置
溢流裝置包括降液管、受液盤等部件。
3.1.1 降液管
降液管分為圓形降液管和弓形降液管。圓形降液管用于塔徑較小，負荷較低的情況。根據(jù)已定的設計條件，所以本次設計選則用弓形降液管。
3.1.2 受液盤
受液盤按形式分為兩種，分別是平型和凹型，受液盤的作用是讓降液管的出口不受到液體侵入，受液盤的位置普遍都設置在塔盤上。
平型受液盤一般都會用在易聚合物料，為了阻止它造成塔盤死角。當液體壓降大于250Pa時，一般都會用凹型受液盤。如圖5所示
圖5
如果要使塔盤的入口液封能夠有效降低，使液體的流向得到平穩(wěn)，有緩沖效果或需要更好的鼓泡時，都會選用凹型受液盤。按這次的設計需求要選用凹型受液盤，如果凹型受液盤深度大于50mm而寬度低于三分之一的塔板間距時，塔板間距可以根據(jù)要求適當擴大。
為有效預防停產時需要對塔內的液體進行排放，通常把液封盤做在塔的最底部的降液管末端，是通過淚空排放液體。弓形降液管的液封盤的結構如圖6所示。
圖6 液封盤結構
3.2進出口管裝置
3.2.1 進料管
當塔徑大于800mm時，人可進塔檢修，且物料清凈不易聚合采用如圖7所示的簡單結構的進料管。
圖7 進料管
3.2.2 出料管
塔底部的液體出料管結構如圖8所示。
在出料管上，焊有三塊支撐扁鋼，以便將出料管活嵌在引出管通道里。為了便于安裝，出料管外形尺寸m，應小于支座內徑，引出管通道直徑應大于出料管法蘭外徑。
圖8 出料管
3.3 人孔與手孔
人孔天通常設置在塔體大概六米的地方，在塔頂上也要設置一個人孔，在這里選用的結構是分塊式塔盤。為了方便塔設備的安裝與生產，通常在一個經線設有人孔和手孔，不能與降液管在同一平面，這樣才能夠方便工作人員進出塔。因為塔設備要保溫效果，通常人孔的選擇是回轉蓋。在與設備部件或平臺的安全距離要求上，要求人孔中心與塔內部部件距離超過一千毫米，與操作平臺高度一般保證在八百毫米到一千毫米之間，在塔內設置的把手直徑大約在十八毫米到二十二毫米之間，材料選擇圓鋼。
3.4 視鏡
當工作人員需要觀察塔設備的內部時，可以通過視鏡來觀察。視鏡的組成有很多，主要的有視鏡座、壓緊環(huán)、視鏡玻璃等。壓力容器視鏡、不帶頸視鏡及帶頸視鏡是市場上普遍使用的有三視鏡。
而窺視范圍大、結構簡單易制造的是不帶頸視鏡，正常情況下都會選擇不帶頸視鏡。帶頸視鏡主要用在直徑小、受保溫層限制的塔器。通常情況下公稱壓力在0.6 MPa以上的會采用壓力容器視鏡。由于這次設計壓力是0.21MPa，根據(jù)要求分析選擇不帶頸視鏡。
3.5液面計
設置液面計是為了觀察設備內部液面的位置情況。液面計有多種種類，最常用的液面計有：透光式（T型）玻璃板液面計，玻璃管（G型）液面計，反射式（R型）玻璃板液面計等。選取液面計時需要考慮公稱壓力、使用溫度、液面計材料、結構型式及公稱長度等性能參數(shù)。
3.6法蘭
法蘭連接是由一對法蘭、數(shù)個螺栓和一個墊片（圈）等零件組成的一種可拆連接。
法蘭連接有較好的強度和緊密性，適用的尺寸范圍寬，所以應用很廣泛。
法蘭密封的原理是：法蘭在螺栓預緊力作用下，把處于壓緊面之間的墊片壓實，壓緊面上由機械加工形成的微隙被填滿，形成初始密封條件。
3.7補強圈
有時候塔體會因為開孔過大使它的強度降低，補強圈在一定程度上可以有效提升塔的強度，而在設計時應注意補強圈厚度與材料上的選擇，通常情況下選擇與塔設備一樣。
3.8除沫器
除沫器的作用就是吸收氣體中帶有的細小液滴，除沫器性能的好壞可以直接影響塔設備的性能，還會影響分離的效率、原料回收等等。除沫器的分類有三種，分別是絲網型除沫器、折流板型除沫器和旋流板型除沫器。而在化工生產中最通用的類型是絲網型除沫器，其特點是既能吸收細小液滴也可以過濾掉大型液沫。而且效果比其他類型更明顯。根據(jù)這次的設計要求選用固定上裝式絲網除沫器。
4. 塔強度計算與校核及驗算
表1 舌形塔的設計參數(shù)如下
設計名稱
參數(shù)值
塔內徑/mm
1100
塔高H/mm
26000
設計壓力/MPa
0.21
設計溫度t/℃
110
腐蝕余量/mm
3
容器類別
一類
筒體材料
Q235-A
封頭材料
Q235-A
裙座材料
Q235-B
地腳螺栓材料
Q235-B
介質
甲醇
安裝地區(qū)
衡陽郊區(qū)
地震烈度
7級
場地類別
Ⅱ
地面粗糙度類別
B
4.1塔板主要工藝尺寸的計算
(1) 塔盤布置
塔板的分塊。因本塔直徑為1100mm，，故塔板采用分塊式塔板。查塔板塊數(shù)表得塔板分為3塊。
（2）塔板結構
塔板結構的設計，應滿足剛性好，容易制造，裝拆方便等要求。自身梁式塔板結構能滿足這些要求。
?弓形板 弦邊做成自身梁，其長度與矩形板同。弦邊直徑D與塔徑和弦邊至塔壁的徑向距離m值有關?！?000㎜時，m=20㎜.弧邊直徑，弓形板矢高e與、m和塔板分塊數(shù)n有關。
按
得e=312㎜
?矩形板 自身梁式矩形板，梁與板構成一個整體。矩形板的一個長邊無自身梁，另一邊有自身梁。按工藝要求在板上布置篩孔。長邊尺寸（b為受液盤最大寬度）可得：
?通道板 通道板即為無自身梁的一塊矩形板，按工藝要求在板上布置篩孔。它是擱在弓形板或矩形板的自身梁上。長邊尺寸與矩形板相同，矩邊長度取400㎜。
4.2 舌形塔壁厚初算
4.2.1圓筒壁厚計算
查化工設備設計基礎（第三版），內壓圓筒厚度計算公式為：
mm （1）
式中，為Q235-A在105時的許用應力，查表可得為113MPa；=0.85。
最小厚壁mm
塔設備設計壁厚最小不得小于3mm，取mm。
按要求，取壁厚附加量=0.8mm，給定腐蝕余量=3m，可得出此舌形塔圓筒的最小設計壁厚為
mm （3）
此舌型塔塔高26m，高度很高，而此舌型塔的直徑為1100mm，考慮風載荷影響，要適當增加塔筒壁厚?，F(xiàn)假定圓筒名義厚度=10.6mm（在初始的假定值8之間），則假定的圓筒有效厚度為：
6.8mm （4）
4.2.2封頭壁厚計算
封頭的類型種類繁多，主要有球形、錐形、橢圓形和平板形，此處我采用標準橢圓形封頭。
封頭的計算厚度為：
（5）
要求封頭與筒體等厚是使下一步的焊接更加方便，即，有效厚度=6.8mm。
4.3塔體各項載荷計算
4.3.1質量載荷計算
圖9 舌型塔風載分析圖
設塔體和裙座質量為 m01， 塔內構件質量為m02，保溫材料質量為m03，操作平臺及扶梯質量為m04，塔內物料質量為m05，塔內充水質量為mw，假定人孔、接管、法蘭等附件質量ma為0，偏心質量me為0.
塔體和裙座質量，按照假定壁厚和各自高度（參上圖9）計算可得：
查資料得，舌型塔盤的單位質量為，因此塔內構件的質量為：
（6）
假設保溫層厚度為1000mm，保溫材料的密度為500，則保溫材料的質量
操作平臺（共9層，每層500kg）及扶梯（總高21m，質量）質量為： （7）
查資料可知（參考《化工設備設計基礎》，化學工業(yè)出版社，第358頁,表17-1)
塔盤充液量為因而操作時塔內物料質量為：
塔體圓筒部分長21.33m（圖3.1），每個封頭容積為0.105，封頭的曲面高度及直邊高度分別為250mm和25mm（參考《化工設備設計基礎》，化學工業(yè)出版社，第461頁附表II-15）。故液壓試驗時，塔內充水質量為
（8）
忽略人孔、接管、法蘭等附件質量，即令。偏心質量=0。則塔設備操作時的質量 （9）
=5941+1355+3730+4920+1264=17210kg
塔的最大質量 （10）
=5941+1355+3730+4920+37976=53922kg
塔的最小質量 （11）
=5941+271+3730+4920=14862kg
4.3.2風載荷計算
風力計算公式
式中 ——設備中第i段的水平風力，N；
——體型系數(shù)，對圓柱塔型設備，取=0.7；
——風振系數(shù)；
——風壓高度變化系數(shù)，可查表選取；
——基本風壓值，與建塔地區(qū)有關，可查表選?。?
——塔設備第i段的計算高度，m；
——塔設備第i段迎風面的有效直徑，m。
將塔沿高分成8段，如圖12，見下表
塔段號
1
2
3
4
5
6
7
8
塔段長度，m
0-1
1-2.6
2.6-
6.5
6.5-
10.4
10.4-
14.3
14.3-
28.2
28.2-
22.1
22.1-
26
，
450
0.7
（B類）
（查JB/T 4710-2005表8-4）
2.43
（B類）
（查JB/T 4710-2005表8-5）
0.072
0.187
0.54
0.74
0.77
0.80
0.82
0.83
（查JB/T 4710-2005表8-6）
0.006
0.16
0.084
0.149
0.296
0.486
0.730
0.888
（B類）
1
1
1
1.07
1.19
1.29
1.37
1.45
，mm
4500
4500
4500
4500
4500
4500
4500
4500
，mm
400
，mm
600
，mm
2984
2984
3024
3024
3024
3024
3024
3024
N
949.36
1514.46
5180.97
6242.84
8137.16
10428.6
13179.14
15126.34
將塔體分為若干段后，該底部以上所有風力對其產生的彎矩之和即
裙座底截面0-0處的風彎矩為：
（13）
計算出各截面風彎矩結果如下
4.3.3最大彎矩計算
塔設備任意危險截面I-I的最大彎矩按下式計算
取其中較大值。 （17）
分析可以得到，Mw截面為彎矩最大截面，又因為。
故，即：
4.4.塔體的強度及軸向穩(wěn)定性驗算
4.4.1舌形塔外殼軸向應力分析
以下分別為介質軸向應力，質量載荷軸向應力與彎矩載荷引起的軸向應力
（18）
（19）
（20）
查資料，系數(shù)A的計算公式為：
（21）
已知B=76MPa,已知，所以。
圓筒軸向穩(wěn)定性按下式校核：
< （22）
4.4.3圓筒拉應力校核
對內壓情況，圓筒的拉應力按下式校核
而 （23）
故<。
4.4.4塔體液壓試驗時的應力校核
由試驗壓力引起的環(huán)向應力，按下式計算
（24） 式中為試驗壓力，可由公式求得。
，取液柱靜壓力，則
由試驗壓力引起的軸向應力， （25）
由液壓試驗時重力引起的軸向應力（式中近似?。?
（26）
由彎矩引起的軸向應力
（27）
查表可知，Q235A材料的。按下式求得
取其中較小值。 （28）
因>KB，故
計算所得的各項應力應滿足
將以上計算的各應力代入上式得
<
<
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