乙醇-水”精餾塔設(shè)計(jì) 機(jī)械設(shè)計(jì)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(jī)化工原料，如用乙醇制造乙酸、乙醚等；乙醇又是一種有機(jī)溶劑，用于溶解樹(shù)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(duì)人體具有營(yíng)養(yǎng)價(jià)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(guó)的國(guó)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?chē)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(diǎn)，符合我國(guó)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(guó)完全適用，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)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(jì)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(jì)采用篩板塔，板式塔有一下優(yōu)點(diǎn)生產(chǎn)能力大，塔板效率高，壓降低，操作彈性大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。二 塔設(shè)備任務(wù)書(shū)簡(jiǎn)圖與說(shuō)明比例設(shè)計(jì)參數(shù)與要求工作壓力MPa0.004腐蝕速率mm/a0.01設(shè)計(jì)壓力MPa0.0044設(shè)計(jì)壽命 a20工作溫度 C99.05浮閥個(gè)數(shù)設(shè)計(jì)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(chǎng)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(hào)公稱尺寸連接面形式用途符號(hào)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(jì)h1-325mm突面取樣口c突面進(jìn)氣口i1,2突面液面計(jì)d1,238mm突面加料口j38mm突面出料口e1,2突面壓力計(jì)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(jì)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(chǎng)土地類別塔體高度 24900偏心品質(zhì)3000設(shè)計(jì)壓

5、力 0.0044偏心距 1000設(shè)計(jì)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(jì)溫度下彈性模量210-5常溫屈服點(diǎn)235常溫屈服點(diǎn)235設(shè)計(jì)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(tái)數(shù)5介質(zhì)密度1000地腳螺線材料Q-235A塔盤(pán)數(shù) 48許用應(yīng)力147每塊塔盤(pán)存留介質(zhì)層高度50腐蝕裕量 3基本分壓值 300個(gè)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(jì)計(jì)算1、 選擇塔體和裙座的材料設(shè)計(jì)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(jì)壓力0.0044MPa。設(shè)計(jì)溫度是指容器在正常操作情況下，在相應(yīng)設(shè)計(jì)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(jì)塔內(nèi)最高溫度塔底取得C，設(shè)計(jì)溫度可以取為C。從上可知，設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)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(qiáng)度指標(biāo)375MPa、235MPa，設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力113MPa。（查表8-6）2、 塔體和封頭壁厚的計(jì)算2.1 塔體壁厚的計(jì)算塔體的壁厚是值塔體計(jì)算

7、出來(lái)的有效厚度，有效厚度可以用下式計(jì)算（式中為理論計(jì)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(jì)算厚度，其中指塔體的內(nèi)徑，由工藝部分計(jì)算可知=1.2m；為焊接頭系數(shù)，本設(shè)計(jì)采用雙面焊、局部無(wú)損探傷，=0.85。=0.03mm對(duì)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(jì)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(jì)算：= 塔段0112233445長(zhǎng)度/m125.988各點(diǎn)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(jì)算均由Excel自動(dòng)生成）5.1.3 地震彎距對(duì)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(jì)算： 當(dāng)塔設(shè)備H/D15或時(shí)還需考慮高振型的影響，在進(jìn)行穩(wěn)定和其它驗(yàn)算時(shí)，可以按下式進(jìn)行計(jì)算：=1.25 同計(jì)算風(fēng)彎距一樣，對(duì)危險(xiǎn)截面進(jìn)行地震

9、彎距的計(jì)算，因?yàn)?，所?63042.1N.m=59497.9N.m=52423.8N.m6、偏心載荷和偏心彎距的計(jì)算由前面計(jì)算可知，7、最大彎距的計(jì)算塔設(shè)備任意計(jì)算截面I-I處的最大彎距按下式進(jìn)行計(jì)算=Max，同前面計(jì)算，本設(shè)計(jì)將對(duì)危險(xiǎn)截面進(jìn)行計(jì)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(xiǎn)截面強(qiáng)度和穩(wěn)定性校核8.1 圓筒軸向應(yīng)力圓筒任意計(jì)算截面I-I處的軸向應(yīng)力分別按下式進(jìn)行計(jì)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(shí)計(jì)入此項(xiàng)）。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(jì)算內(nèi)容計(jì)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(jì)算截面以上的操作質(zhì)量，kg17816.51766817294設(shè)計(jì)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(jì)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(duì)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(duì)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(qiáng)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(xiǎn)截面。危險(xiǎn)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(yàn)算危險(xiǎn)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(shí)計(jì)入此項(xiàng)；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(jì)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(jì)中檢查孔加強(qiáng)管長(zhǎng)度、加強(qiáng)管水平方向的最大寬度、加強(qiáng)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(yàn)時(shí)的應(yīng)力校核10.1 圓筒應(yīng)力試驗(yàn)壓力引起的周向應(yīng)力：，本設(shè)計(jì)采用水壓試驗(yàn)，所以=0.001kg/cm3, =1.

14、25=0.0055試驗(yàn)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(yàn)時(shí)： 從上計(jì)算可知，材料安全。11、基礎(chǔ)環(huán)設(shè)計(jì) 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(yàn)時(shí)壓應(yīng)力：操作時(shí)壓應(yīng)力：混凝土基礎(chǔ)上的最大壓力：由，可以查得對(duì)X軸和Y軸的彎距分別為，計(jì)算力矩：有筋板時(shí)基礎(chǔ)環(huán)厚度： 取=12mm12、螺栓計(jì)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(gè)。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(jì)在板式塔內(nèi)沿塔高裝置了若干層塔盤(pán)，液體靠重力作用由塔頂逐盤(pán)流向塔底，并在各塊塔盤(pán)面上形成流動(dòng)的液層；氣體則靠壓強(qiáng)差推動(dòng)，由塔底向上一次穿過(guò)各塔盤(pán)上的液層而升至塔頂。氣液兩相在各塔盤(pán)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(pán)是板式塔內(nèi)氣、液接觸的主要元件。塔盤(pán)要有一定的剛，以維持水平，使塔盤(pán)上的液層深度相對(duì)均勻；塔盤(pán)與塔壁之間應(yīng)有一定的密封性，以避免氣、液短路；塔盤(pán)應(yīng)便于制造、安裝、維修，并且成本要低。 本設(shè)計(jì)中塔盤(pán)設(shè)計(jì)如下圖所示：塔內(nèi)徑1200mm塔盤(pán)開(kāi)孔類型閥孔排列形式正三角形排列塔盤(pán)方式分塊式塔盤(pán)閥孔中心距12mm塔盤(pán)間距4

16、50mm浮閥個(gè)數(shù)4005個(gè)流程單流程開(kāi)孔率10.1%降液管型弓形溢流堰堰長(zhǎng)700mm堰高精餾段52.5mm；提餾段 49mm表六：塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)六、符號(hào)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(jì)壓力，MPa地震影響系數(shù)，地震影響系數(shù)最大值設(shè)計(jì)溫度，水平地震力，N計(jì)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(chǎng)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(jì)算段的外徑，有效直徑，mm屈服極限，強(qiáng)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(jì)算段長(zhǎng)度，有效直徑，mm裙座許用應(yīng)力，MPa籠式扶梯當(dāng)量長(zhǎng)度操作平臺(tái)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(jì)算段的風(fēng)振系數(shù)偏心距，mm各計(jì)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(jì)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(yàn)時(shí)圓筒材料的許用軸向壓應(yīng)力，MPa各點(diǎn)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(qiáng)管長(zhǎng)度，mm檢查孔加強(qiáng)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(yàn)時(shí)壓應(yīng)力，操作時(shí)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(gè)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(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū). 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 20052 董大勤. 化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ). 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 20033 陳國(guó)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(yǔ) 本次設(shè)計(jì)歷時(shí)一周，通過(guò)廣泛查閱資料、詳細(xì)計(jì)算，終于完成了年產(chǎn)量25,000頓的乙醇水的精餾設(shè)計(jì)的機(jī)械設(shè)計(jì)部分。如果說(shuō)，以前學(xué)化工只是專業(yè)知識(shí)的積累，抑或只是“紙上談兵”，那么這次設(shè)計(jì)就是以前所學(xué)知識(shí)的一次綜合應(yīng)用，一次“沙場(chǎng)練兵”?？?/p>