乙醇-水”精餾塔設(shè)計 機械設(shè)計部分

1、一 前言乙醇（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(dāng)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?jǐn)?shù)）。據(jù)有關(guān)資料表明，乙醇對人體具有營養(yǎng)價值。現(xiàn)在，乙醇成為了一種新型替代能源乙醇汽油。按照我

2、國的國家標(biāo)準(zhǔn)，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?xì)浠衔锏戎饕廴疚锱欧?。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(shù)上成熟安全可靠，在我國完全適用，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。乙醇精餾是生產(chǎn)乙醇中極為關(guān)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(shù)裝備性能之優(yōu)劣、生產(chǎn)管理者及操作技術(shù)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

3、單元操作。本次設(shè)計的精餾塔是為了精餾乙醇以得到高純度的乙醇，要求達(dá)到塔頂餾出物濃度（94%（wt）,塔底濃度（0.1%（wt）。本設(shè)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(jié)構(gòu)簡單。二 塔設(shè)備任務(wù)書簡圖與說明比例設(shè)計參數(shù)與要求工作壓力MPa0.004腐蝕速率mm/a0.01設(shè)計壓力MPa0.0044設(shè)計壽命 a20工作溫度 C99.05浮閥個數(shù)設(shè)計溫度 C120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(fēng)壓 Pa300存留介質(zhì)高度 mm52.5/49地震烈度7殼體材料Q-235A場地類別內(nèi)件材料

4、塔形篩板塔裙座材料Q-235A塔板數(shù)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(jìn)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(biāo)記修改內(nèi)容簽字日期備注乙醇-水精餾塔設(shè)計單位名稱化工系3班李黎工程名稱提出人李黎日期06.6.28三 . 塔設(shè)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(shè)計壓

5、力 0.0044偏心距 1000設(shè)計溫度 /C120塔保溫層厚度 100塔體材料Q-235A保溫材料密度300許用應(yīng)力113裙座材料Q-235B113許用應(yīng)力113設(shè)計溫度下彈性模量210-5常溫屈服點235常溫屈服點235設(shè)計溫度下彈性模量210-5厚度附加量2厚度附加量2塔體焊接頭系數(shù)0.85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(yīng)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(shè)防烈度7表二：已知條件列表四 塔設(shè)備設(shè)計計算1、 選擇塔體和裙座的材料設(shè)計壓力是指設(shè)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4kP

6、a；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)的最高工作壓力稱為容器的最大工作壓力用表示，即0.004MPa；取設(shè)計壓力0.0044MPa。設(shè)計溫度是指容器在正常操作情況下，在相應(yīng)設(shè)計壓力下，設(shè)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(dá)到的最高溫度。本設(shè)計塔內(nèi)最高溫度塔底取得C，設(shè)計溫度可以取為C。從上可知，設(shè)計壓力和設(shè)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(biāo)375MPa、235MPa，設(shè)計溫度下的許用應(yīng)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

7、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；為除去負(fù)偏差以后的圓整值，mm；為名義厚度，mm；為鋼板厚度負(fù)偏差，mm；為腐蝕裕量，mm。）2.1.1理論計算厚度，其中指塔體的內(nèi)徑，由工藝部分計算可知=1.2m；為焊接頭系數(shù)，本設(shè)計采用雙面焊、局部無損探傷，=0.85。=0.03mm對于碳素鋼和低合金鋼制容器，而 0.2。塔設(shè)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(shè)備的垂直地震力按下式計算：（=0.65=0.0329；=0.4kg) ，所以有：=4319.77N任意質(zhì)量處垂直地震力按下式計算：= 塔段0112233445長度/m125.988各點距地面高

8、度/mm500200059501290020900質(zhì)量/ kg148.53746850.95220.65220.60.00490.03940.20240.64621.3327/N0.1813.67344.88838.991730.18/N1.4714.82807.581334.232161.66表三：水平、垂直地震力（以上計算均由Excel自動生成）5.1.3 地震彎距對于等直徑、等壁厚塔設(shè)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(jìn)行計算： 當(dāng)塔設(shè)備H/D15或時還需考慮高振型的影響，在進(jìn)行穩(wěn)定和其它驗算時，可以按下式進(jìn)行計算：=1.25 同計算風(fēng)彎距一樣，對危險截面進(jìn)行地震

9、彎距的計算，因為，所以=63042.1N.m=59497.9N.m=52423.8N.m6、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(shè)備任意計算截面I-I處的最大彎距按下式進(jìn)行計算=Max，同前面計算，本設(shè)計將對危險截面進(jìn)行計算，如下表所示截面001122， 63042.159497.952423.8 ，2.94 ，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(yīng)力圓筒任意計算截面I-I處的軸向應(yīng)力分別按下式進(jìn)行計算。由于內(nèi)壓和外壓引起的軸向應(yīng)力： 由于重力和垂直地震力引起的軸向應(yīng)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(yīng)力

10、：8.2 圓筒穩(wěn)定性校核 圓筒許用軸向應(yīng)力按下式確定： 圓筒最大組合拉應(yīng)力按下二式進(jìn)行校核：內(nèi)壓塔器：+；外壓塔器：+具體軸向應(yīng)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，mm2.5筒體內(nèi)徑，mm1200計算截面以上的操作質(zhì)量，kg17816.51766817294設(shè)計壓力引起的軸向應(yīng)力 ，MPa=000.528操作質(zhì)量引起的軸向應(yīng)力，MPa18.5518.4018.01最大彎距引起的軸向應(yīng)力，MPa107.31101.2989.49載荷組合系數(shù)K1.2系數(shù)A設(shè)計溫度下材料的許用應(yīng)力查表可知（Q-235A，120度）的=113MPa113113113系數(shù)B，

11、MPa117117117KB，MPa140.4140.4140.4135.6135.6135.6許用軸向應(yīng)力取KB和中的較小者135.6135.6135.6圓筒最大組合應(yīng)力+對內(nèi)壓容器 +（滿足條件）125.86119.69107.5115.26115.26115.26圓筒最大組合拉應(yīng)力對內(nèi)壓容器 滿足條件88.9583.2571.48表五：軸向應(yīng)力的求取及校核9、 裙座的強度和穩(wěn)定性校核塔設(shè)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(chǔ)環(huán)，以防止由于風(fēng)載荷或地震載荷所引起的彎距而造成翻到。若經(jīng)

12、應(yīng)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(yīng)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(yīng)力。9.1 裙座底截面的組合應(yīng)力裙座底截面的組合應(yīng)力按下式進(jìn)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：，=N.m，0-0截面積和截面系數(shù)分別為：=3.1412002.5=9420，0.785120022.5=2.826106裙座許用應(yīng)力：Min ,=Min140.4，1

13、35.6=135.6 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(yīng)力裙座檢查孔和較大管線引出孔hh截面處組合應(yīng)力按下式進(jìn)行校核 和 本設(shè)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：， =0.785120022.522（30012002.5/2）=Min140.4, 211.5=140.41-1截面處最大彎距、風(fēng)彎距、以上操作質(zhì)量和最大質(zhì)量分別為=N.m ，N.m ，17668kg，39257.9kg 10、塔設(shè)備壓力試驗時的應(yīng)力校核10.1 圓筒應(yīng)力試驗壓力引起的周向應(yīng)力：，本設(shè)計采用水壓試驗，所以=0.001kg/cm3, =1.

14、25=0.0055試驗壓力引起的軸向應(yīng)力：2-2截面處的最大質(zhì)量和風(fēng)彎距分別為：=38883.9kg，重力引起的軸向應(yīng)力：彎距引起的軸向應(yīng)力： 10.2 應(yīng)力校核 液壓試驗時： 從上計算可知，材料安全。11、基礎(chǔ)環(huán)設(shè)計 裙座外徑： 基礎(chǔ)環(huán)外徑： 基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)徑：基礎(chǔ)環(huán)伸出寬度：相鄰倆筋板最大外側(cè)間距：基礎(chǔ)環(huán)面積：基礎(chǔ)環(huán)截面系數(shù)：水壓試驗時壓應(yīng)力：操作時壓應(yīng)力：混凝土基礎(chǔ)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(chǔ)環(huán)厚度： 取=12mm12、螺栓計算最大拉應(yīng)力：基礎(chǔ)環(huán)中螺栓承受的最大拉應(yīng)力：所以塔必須設(shè)置地腳螺栓，取地腳螺栓為6個。地腳螺栓螺紋小徑：（其中147MPa）

15、，故6M42地腳螺栓滿足要求。五、結(jié)構(gòu)設(shè)計在板式塔內(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(yīng)有一定的密封性，以避免氣、液短路；塔盤應(yīng)便于制造、安裝、維修，并且成本要低。 本設(shè)計中塔盤設(shè)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4

16、50mm浮閥個數(shù)4005個流程單流程開孔率10.1%降液管型弓形溢流堰堰長700mm堰高精餾段52.5mm；提餾段 49mm表六：塔結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計壓力，MPa地震影響系數(shù)，地震影響系數(shù)最大值設(shè)計溫度，水平地震力，N計算厚度（理論厚度），mm當(dāng)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(fù)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，N.m除去負(fù)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(yīng)力，MPa第i

17、段保溫層厚度，管線保溫層厚度，mm許用應(yīng)力，MPa，各計算段長度，有效直徑，mm裙座許用應(yīng)力，MPa籠式扶梯當(dāng)量長度操作平臺當(dāng)量寬度，mm焊接接頭系數(shù)風(fēng)壓高度變化系數(shù)基本風(fēng)壓值，Pa體型系數(shù)質(zhì)量，偏心質(zhì)量，kg各計算段的風(fēng)振系數(shù)偏心距，mm各計算段的水平風(fēng)力保溫層厚度，mm截面處風(fēng)彎距，N.m介質(zhì)密度，保溫層密度，kg/m3偏心彎距，N.m操作、最小、最大質(zhì)量，kg設(shè)計壓力，操作質(zhì)量，最大彎距引起的軸向應(yīng)力，MPa塔設(shè)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(yīng)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)，

18、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(chǔ)環(huán)外徑，內(nèi)徑，mm基礎(chǔ)環(huán)伸出寬度，mm基礎(chǔ)環(huán)面積，mm2相鄰筋板最大外側(cè)間距，mm基礎(chǔ)環(huán)截面系數(shù)，mm3基礎(chǔ)環(huán)材料的許用應(yīng)力MPa水壓試驗時壓應(yīng)力，操作時壓應(yīng)力，MPa混凝土基礎(chǔ)上的最大壓力MPa最大拉應(yīng)力，MPa基礎(chǔ)環(huán)中螺栓承受的最大拉應(yīng)力，MPa地腳螺栓個數(shù)min，max最小，最大七、參考文獻(xiàn)1 蔡紀(jì)寧, 張秋翔. 化工設(shè)備機械基礎(chǔ)課程設(shè)計指導(dǎo)書. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 20052 董大勤. 化工設(shè)備機械基礎(chǔ). 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 20033 陳國理. 壓力容器及化工設(shè)備. 廣州: 華南理工大學(xué)出版社, 19954 夏頌祺, 丁伯民. 鋼架. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 20045 丁伯民, 黃正林. 化工容器. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2003八、結(jié)束語 本次設(shè)計歷時一周，通過廣泛查閱資料、詳細(xì)計算，終于完成了年產(chǎn)量25,000頓的乙醇水的精餾設(shè)計的機械設(shè)計部分。如果說，以前學(xué)化工只是專業(yè)知識的積累，抑或只是“紙上談兵”，那么這次設(shè)計就是以前所學(xué)知識的一次綜合應(yīng)用，一次“沙場練兵”?？?/p>