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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流减压塔机械设计.精品文档.庆阳石化减压塔机械设计摘 要：减压塔作为常底油加工的重要工序，在原油加工总流程中占有重要地位，在炼厂、化肥厂等化工单位具有举足轻重的地位，其运行的好坏直接影响到后续的加工过程。本次设计仍然采用常规设计。首先根据设计条件选择适合的材料，然后依据委托书，参考相关资料选择适合的封头、人孔、吊柱、法兰、分布器、再分布器、支撑板、塔盘等部件；根据GB/T150钢制压力容器，参考JB/T4710钢制塔式容器，采用外压容器计算方法计算筒体壁厚，选择裙座类型以及设计裙座高度，；以及对塔进行应力稳定性校核。对整个设计进行经济性评估。关
2、键词：减压塔；结构设计；应力校核 目 录目 录I第一章 概 述11.1塔的概述11.2减压塔的主要结构1第二章 减压塔基本参数及部件的选择22.1设计条件22.2塔高的确定22.3裙座高度的设计32.4填料部分内件的设计32.4.1分布器的选型与设计32.4.2支撑板的选型与设计32.4.3再分布器的选型与设计32.4.4填料限制板的选择42.5塔盘板部分内件的设计42.5.1塔盘的选型及设计42.5.2塔盘支撑梁的设计52.6塔内件紧固件52.7法兰的选型与校核52.7.1法兰选型52.7.2法兰校核6第三章 减压塔机械设计93.1选材93.1.1筒体及封头93.1.2裙座及螺栓93.2筒体
3、壁厚的计算及加强圈的设计93.2.1上段93.2.2中间段113.2.3下段123.3封头的选型与计算133.3.1选型133.3.2封头的计算133.4塔质量的计算143.4.1锥壳的质量143.4.2封头的质量153.4.3筒体质量153.4.5 塔内构件的质量173.4.6人孔、法兰、接管及附属物的质量173.4.7保温材料的选择及质量的计算173.4.8平台、扶梯质量183.4.9塔内物料质量183.4.10水压试验是液体质量193.5塔的自振周期计算193.6塔的地震载荷和地震弯矩的计算213.7风载荷233.7.2各截面风弯矩24第四章 校核计算264.1塔校核稳定性或强度验算26
4、4.2裙座稳定性校核264.2.1 00截面264.2.2 人孔274.3塔器立置液压试验时应力校核27第五章基础环和地脚螺栓的设计计算295.1基础环厚度计算（有筋板）295.1.1基础化的尺寸295.2、地地脚螺栓计算305.2.1地脚螺栓承受的最大拉应力计算305.3筋板305.3.2筋板的应力计算305.4盖板（有垫板且环形）315.5裙座与塔壳对接焊缝校核31第六章 开孔补强336.1油气出口336.1.1壁厚计算336.1.2有效补强范围336.1.3补强圈设346.2放空口356.2.1接管的计算厚度356.2.2有效补强范围356.2.3补强圈设计366.3常底油入口366.3
5、.1筒体及接管的计算366.3.2有效补强范围376.3.3补强圈设计386.4减二线抽出口和减三线抽出口386.4.1接管的计算厚度386.4.2有效补强范围396.4.3补强圈设计406.5减二中返线回口和减三中返线回口406.5.1接管计算406.5.2有效补强范围416.5.3补强圈设计426.6减一线抽出口426.6.1筒体及接管的计算426.6.2有效补强范围426.6.3补强圈设计446.7减一中返线回口446.7.1接管厚度446.7.2有效补强范围446.7.3补强圈设456.8蒸汽入口466.8.1筒体壁厚466.8.2有效补强范围466.8.3补强圈设476.9渣油出口4
6、76.9.1封头及接管厚度计算476.9.2有效补强范围486.9.3补强圈设计496.10.2有效补强范围496.10.3补强圈设52第七章 经济性评估54小结55参考文献56致谢58第一章 概 述1.1塔的概述塔设备在化工、石油化工和炼油、医药、环境保护等工业方面是一种重要的操作设备。其实现了气（汽）液相或液液相之间的充分接触，从而达到相际间进行传质或传热的目的。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，以及兼有气液两相传质和传热的增湿、减湿等。塔设备的应用面广、用量大，其投资费用占整个工艺设备费用仅次于换热器的投资费用
7、。在化工或炼油厂中，塔设备的性能对于整个装置的产品产量、产品质量、生产能力和消耗以及三废处理和环境保护等各个方面都有重大的影响。因此，塔设备的设计和研究受到化工、炼油行业的极大重视。为了使塔设备能更有效、更经济、更安全地运行，除了要求它满足特定的工艺条件外，还应满足以下要求：1.气液两相充分接触，相际间传热面积大；2.生产能力大，即气液处理量大；3.操作稳定，操作弹性大；4.阻力小；5.结构简单，制造、安装、维修方便，设备的投资及操作费用低；6.耐腐蚀，不易堵塞。塔设备的分类：1.按操作压力分有加压塔、常压塔及减压塔；2.按单元操作分有精馏塔、吸收塔、介吸塔、萃取塔、反应塔、干燥塔等；3.按内
8、件结构分有填料塔、板式塔。1.2减压塔的主要结构减压塔主要由塔体、封头、裙座、人孔、吊柱、塔盘、分布器、再分布器等组成第二章 减压塔基本参数及部件的选择2.1设计条件根据毕业设计任务书以及委托书的要求可知：工作介质：常压塔底油；设计温度360；设计外压力0.1MPa标准风压：400N/；地震烈度：8度近震；场地图类别：II类；B类地面粗糙度。 工作地点：甘肃庆阳市2.2塔高的确定塔的高度由三部分组成：a、筒体b、两锥段c、两封头由于减压塔筒体分为上、中、下三段，各段的直径不尽相同，且中间大两头小，在受力是如果把裙座放在最底端则所需塔体的壁厚就比较大，而如果把裙座放在中间段与下段的连接处则在收到
9、风载以及地震载荷时危险性明显降低。因此在计算塔高时不把裙座计算在内。a、筒体高度筒体高度由委托书可以直接加和得到，但是在中间段得最上端人孔布置中由于布置人孔去筒体只有500mm，而人孔直径为500mm，因此需要增加塔体中间段高度，经查询相关资料对此处没有要求，为此考虑到经济性以及设备使用的安全性，在此处增加500mm，为此经加和委托出所给尺寸以及所增加尺寸可知筒体段高度H1=9000+21500+5200=35700mmb、两锥段高度在设计中锥段的锥度越小受力越好，但是同时锥度越小所需材料就越多，经济性不好，并查1，7，21可知在一般设计中取45o比较合适，经计算上锥段高度为450mm；下锥段
10、高度为700mm。因此，锥段的高度为H2=1150mmc、两封头高度封头包括半球形封头、椭圆封头、蝶形封头和球冠型封头。其中半球形封头受力及开孔受力最好，但是半球形封头难以加工，且加工成本高，从经济性上看不划算。所以选用受力及开口受力仅次于球形封头的标准椭圆形封头查9可知上封头高度为318mm，下风头高度为265mm，因此封头总高度为H3=538mm因此塔的总体高度为H=H1+H2+H3=37388mm2.3裙座高度的设计查阅相关资料可知，在裙座的设计中，由于减压塔为不等经的塔，在受到风载及地震载荷时使用圆锥形裙座与圆筒形裙座相比较，相同壁厚圆锥形裙座安全性更好，在减压塔设计中由于裙座内塔体上
11、没有管道人孔，因此对裙座的高度没有具体的要求，查阅其他设计以及相关资料可知裙座一般只要人能进去基本站立起来就好，因此裙座选用高两米圆锥形裙座。2.4填料部分内件的设计本部分主要参考参考文献 1，21。2.4.1分布器的选型与设计在填料塔中的任意截面要保持企业的均匀分布，因此要用分布器来完成。由于在减压塔的设计中填料塔部分分布器的主要数据根据塔的塔径、人孔的大小以及经济型等方面考虑。常用的分布器有溢流盘式、排管式喷淋器、筛板式可拆卸槽盘式等，综合效率、实用性以及经济性等方面因素，最终选用溢流盘式且为可拆卸式。2.4.2支撑板的选型与设计在填料塔中填料支撑板主要用于支撑填料的作用，对其另外的要求就
12、是要有足够的自由截面能通过气体和液体，且自由面分布均匀，有力与液体的再分布有足够大的强度能够支撑起填料，典型的支撑板结构有：气体喷射式支撑板、分块式气体喷射式支撑板、梁型支撑板等。由于塔径较大，且人孔为500mm，所以选用可拆卸式，由于塔径比较大因此选用梁型喷射式支撑板。这中塔板适合大直径的塔，主要尺寸可参考23。2.4.3再分布器的选型与设计由于喷淋液体沿填料层向下流动时，会走容易流动的路线，因此不能保持原始的流动分布状态流动，液体会有沿塔壁流动的趋势。因而影响液体与气体的接触，所以需要增加一个再分布器以减少这种现象。根据委托书要求，再分布器上需要安装吸收器，经查相关资料可知，在工程上常选用
13、直接在再分布器上安装一个吸收装置，因此在这次设计中我直接把一个长方形立方体直接与再分布器以螺栓连接。在再分布器中常见的典型结构有分配锥、改进分配锥、多孔盘式再分布器、梁型再分布器。在这里适合塔径的只有梁型再分布器和多孔盘式再分布器。由于良性再分布器要求再分布器的最高点距支撑板的距离在75100mm之间，而且只能与梁型喷射式支撑板配合，具有局限性因此选用多孔盘式再分布器。2.4.4填料限制板的选择填料塔在压力不稳定及大压力降操作的情况，由于气体冲击和负荷的波动填料改变原有的堆积状态，从而影响气液两相的接触。因此在实际中填料塔均需安装填料压板或者床层限制板，床层限制板与压板结构类似，但填料压板要的
14、是重力压住填料，其安装拆卸比较困难，因此我选用床层限制板，床层限制板的设计中当塔径D1200mm时，限制板的外径比塔径小2538mm，为设计及加工方便取限制板的外径比塔径小30mm。2.5塔盘板部分内件的设计 2.5.1塔盘的选型及设计我做的是减压塔，任务书要求用固舌塔盘，是一种汽液并流、定向喷射型塔盘。根据32、30可知，舌片尺寸和张角会影响塔板的效率和操作的稳定性。固定舌片常采用的张角为20o，长度及宽度均为50mm，每个舌片的面积为0.00223m2，相应的舌缝面积为0.00118m2。查相25，21，20以及实物图舌片一般按三角形布置设，排列方向与也留方向垂直。而在设计中常取与液流垂直
15、方向的舌孔中心距取t1=70mm；而平行方向取t2=80mm。溢流堰和板间距 一般情况下舌形塔盘上不设堰，只有当LAa =0.107MPa因此满足要求b、加强圈由参考文献24，为防止筒体和加强圈的外压失稳，要求加强圈必须有足够的刚度，通常采用的加强圈截面为扁钢、角钢、工字钢等，根据计算相同厚度，相同截面积的加强圈，扁钢比角钢、工字钢等的惯性矩更大，因而扁钢加强圈比其他钢对筒体的加强作用也更大，所以选用扁钢加强圈。另外，对同样截面积的矩形加强圈薄而高的加强圈要比厚而矮的加强圈的惯性矩大，其加强作用也大。因此，在确定加强圈的截面是应尽可能选择薄而高的加强圈。由于增加了一个加强圈，则=4500mm，
16、选用扁钢。选用加强圈的厚度为20mm高度为55mm则=1100查7可知B= = = 24 MPa则 则所需最小惯性矩mm4圆筒的惯性矩 mm4加强圈的惯性矩mm mm2 mm4组合惯性矩 mm43.2.2中间段a、圆筒体假设名义壁厚为18 mm腐蚀裕量 4 mm 。同1.1 0 mm则有效厚度 14 mm圆筒的临界长度=1.17L= 21 m因此为短圆筒查7可知 则 MPa则由7可知 = 0.022 MPa =0.107MPa因此，需要增加加强圈。经过计算当增加5个加强圈时与增加4个加强圈对壁厚的减少影响不是很大，因此，在中间段每隔mm处增加一个加强圈。此时 mm则 查GB150可知 A =
17、0.00028 则B = 33 MPa则许用外压力= 0.135MPa =0.107MPa且两个比较接近因而假设名义厚度mm比较合理。b、加强圈由于增加了4个加强圈，则此时的= 4200 mm，选用扁钢，选加强圈的厚度为20 mm高度为55 mm。则= 1100查GB150可知 B = 26 MPa则A = 0.00024所需最小惯性矩 mm4圆筒的惯性矩 mm4加强圈的惯性矩 mm mm2组合惯性矩 mm43.2.3下段a、圆筒假设名义厚度mm ，腐蚀余量 mm ，同1、1 mm ，则有效厚度 mm 。圆筒临界长度 mm 为短圆筒查7可知，A = 0.00036 则B = 42 MPa有7可
18、知许用外压力MPa =0.107MPa 且接近所以，假设名义厚度mm合理查JB/T47462002可知当D = 2500 mm时上的椭圆封头最小厚度为 12 mm因此取上封头的名义厚度mmb、下封头假设名义厚度为 mm ，腐蚀余量为 mm，同1、1、1mm则有效厚度为mm由7可查得手外压椭圆封头的计算由于 ，则查GB150可知因此，椭圆封头许用外压力为 MPa =0.107MPa 且接近所以假设名义厚度 mm合理。另查9可知，当工称直径D = 2000 mm时的封头壁厚有8 mm 、10 mm 、12 mm等，考虑到安全性等因素去名义厚度 mm3.4塔质量的计算计算过程主要参考10以及 183
19、.4.1锥壳的质量a、上锥壳内表表平面面积cm2v = As =37492.43 cm3由得上锥壳的质量Kgb、下锥壳内表面面积 cm2则下锥壳的体积v = As =53408.86 cm3由得上锥壳的质量Kg3.4.2封头的质量查JB/T47462002可知上封头 = 653.7Kg下封头 = 352.77Kg3.4.3筒体质量a、上段筒体截面面积 cm2上段圆筒的体积v = Ah = 1066500cm3则上段筒体的质量Kg上段加强圈的质量因为加强圈的平均半径R = 1320 mm则cm加强圈的截面面积 cm2则一个加强圈的体积为v = AL=9119cm3一个加强圈的质量Kg因此，上段的
20、质量为m = 8067.4 Kg b、中间段筒体截面面积cm2中间段筒体体积cm3质量Kg 加强圈的质量 加强圈的平均半径 R = 1773 mm则L = 1113.4cm加强圈的截面面积 cm2体积v = AL = 12247.4cm3则一个加强圈的质量Kg所以加强圈的质量为Kg中间段质量为m = 31518.58Kgc、下段筒体筒体截面面积 cm2体积 cm3质量 Kg加强圈加强圈的平均半径R = 1067 mm则L = 670.8 cm加强圈的截面面积 cm2积v = AL = 7378.8cm3则加强圈的质量Kg因此下段筒体的质量为m = 3260.01Kg d、裙座的质量裙座的夹角在
21、26中规定；另查相关资料，在工程上多取左右，因此取则可计算出裙座的内平均半径为mm外平均半径mm则截面平均面积 cm2平均体积v = Ah = cm3因此裙座的质量为 Kg则筒体、加强圈、封头以及裙座的质量Kg3.4.5 塔内构件的质量Kg3.4.6人孔、法兰、接管及附属物的质量 Kg3.4.7保温材料的选择及质量的计算1.参考20，19可知，在化工行业，保温材料的选择标准是能达到要求且易购买的材料，查相关资料，最终对比后选用符合硅酸盐作为保温材料。以防烫伤为准则查Gb5026497的 由Gb5026497得塔的外表面温度绝热层外表面温度绝热层表面热系数为环境温度，在防烫伤厚度计算中取最热月平
22、均温度，查相关气象资料可知由防烫伤绝热层厚度计算方法可知保温层厚度： mm2.保温层质量计算a、上段塔 Kgb、中间段 Kgc、下段 Kgd锥段上锥壳由3.4.1-a可知m2则m3因此，上壳保温材料的质量Kg下锥壳由3.4.1-b可知 m2则体积v=Ah=0.439 m3因此，下锥壳的保温材料质量为m = 87.8 Kg因而在锥壳上保温材料的质量为m = 146.4Kge封头上保温材料的质量上封头 Kg下封头 Kg综上式计算出保温层的质量 Kg3.4.8平台、扶梯质量 Kg3.4.9塔内物料质量 Kg3.4.10水压试验是液体质量Kg由上可计算出塔操作质量 Kg塔最大质量 Kg塔的最小质量Kg
23、3.5塔的自振周期计算裙座以及以上塔体高度H = 32755 mm从裙座底端起以上分成九分，且有材料力学知识可知，裙座与筒体焊缝一下质量对塔体的作用相当于把裙座与筒体焊缝一下质量对折给焊缝以上塔体对塔体的作用，因此裙座与筒体焊缝一下质量对折给焊缝以上塔体对塔体，将计算自振周期时，按不同惯性矩将全塔分成三段。表3.5.1 塔的分段质量塔段号123456789塔段长度（mm）200040004000400040005500345040002675（Kg）4375132759375837583759675557559755177.94（Kg）80190015001500150013502921350
24、700.75（Kg）0310001400060004000300020001000690.28（Kg）44554617524875158751387514025786783256568.97表3.5.2塔段号123456789重心距地面高度（mm）100040008000120001600021000252252895032288各段操作质量（Kg）44553422724875158751387514025786783256568.970.0310.120.240.370.490.630.750.870.970.0140.0510.1180.250.4220.660.910.13379.883
25、48.25809.631637.33506.333205494.55977.8（Kg）21152.853 mm4 mm4表3.5.3塔 段 号123备注塔顶距截面底部距离3275530755101308.3132.215.50714.7 mm4塔的自振周期 = 0.49 3.6塔的地震载荷和地震弯矩的计算查 JB/T471002可知 （地震烈度为8） （场地土 近震）塔的危险截面为裙座基底00，裙座人孔处 II截面，裙座与塔体焊接IIII截面，以及上锥段焊缝IIIIII处。NmmNmmNmm Nmm因为塔高大于20且在JB/T 471002中规定当他H/D 15 ，或者高度大于等于20 m 时
26、需考虑高振型的影响，因此要求高柔性，则 Nmm Nmm Nmm Nmm3.7风载荷将塔沿高度分成七段，计算各段风载荷及封弯矩，结果如下表3.7.1水平风载荷 N式中： mm mm由GB150可知则1.23 1.21 1.41 1.7 1.96 2.04 2.186.4 m 2 m 6.4 m 7 m 7.5 m 5 m 5.5 m m m m = m代入相关数据可解得8156 N 5947 N 14637 N 17430 N N N3.7.2各截面风弯矩= Nmm= Nmm= Nmm=Nmm第四章 校核计算4.1塔校核稳定性或强度验算 （地震弯矩控制） （地震弯矩控制） （地震弯矩控制） （地
27、震弯矩控制）表4.1计算截面IIIIIIIIIIII有效厚度 （mm）181411界面以上操作质量（Kg）143499.17141999.17截面横截面积（mm2）23560017150694.8887109.88计算断面系数（mm3）最大弯矩（Nmm）允许轴向压应力（取小值）（MPa）1.2B113971041.2142.8142.8142.8操作时引起的轴向应力（MPa）5.26.15.7引起的轴向应力（MPa）6.779.51.79引起的轴向应力（MPa）36.1353.7618.53轴向压应力（MPa）42.963.2620.32轴向拉应力48.150.3622.44 42.9 113
28、63.26 142.820.32 142.8 48.1 11350.36 142.822.44 142.84.2裙座稳定性校核4.2.1 00截面查GB150可知B = 52.7 MPa则MPa MPaMPamm3 mm3MPa 61.3 MPa MPa 61.3 MPa4.2.2 人孔mm mm mm mm h = 1000 mm mm mm2 mm3 mm3MPa MPaMPa MPa4.3塔器立置液压试验时应力校核静压力 MPa外压塔水压试验 MPa由实验压力因其的环向应力 可得 MPa MPa MPa由质量引起的轴向应力则 MPa MPa MPa由弯矩引起的轴向应力则 MPa MPa
29、MPa液压试验的最大组合压应力= 142.8 MPa MPa 142.8 MPa 液压试验最大组合压应力MPa MPa液压试验是周向应力最大压应力MPa MPa第五章基础环和地脚螺栓的设计计算5.1基础环厚度计算（有筋板）5.1.1基础化的尺寸基础环外径mm基础环内径mm5.1.2基础化应力校核 MPa mm3mm2MPammNmm/mm Nmm/mm故取 Nmm/mm5.1.3基础环的厚度计算基础环的厚度mm考虑到安全性故取 = 18 mm5.2、地地脚螺栓计算5.2.1地脚螺栓承受的最大拉应力计算地脚螺栓承受的最大拉应力取最大值故=0.55MPa5.2.2地脚螺栓的直径（取螺栓个数n为24
30、个）MPa mm取地脚螺栓为M 3624个5.3筋板5.3.1筋板的尺寸 mm mm N5.3.2筋板的应力计算筋板的压应力MPa筋板细长比结构中mm则 临界细长比筋板的许用压应力MPa = 73 = 140 MPa5.4盖板（有垫板且环形） mm mm mm mm mm mm则MPaMPa 故取盖板厚度为40 mm5.5裙座与塔壳对接焊缝校核NmmKgN mmmm由JB/T471092可知对接焊缝JJ截面处的剪力 补强圈厚度为mm到考虑的材料的订购等因素去补强厚度为11mm。6.2放空口6.2.1接管的计算厚度假设接管的名义厚度为mm，厚度负偏差mm有效厚度mm则 查7可知A=0.00011
31、 B=11.6MPa则需用外压力MPa查7可知当接管直径为80mm时接管相应厚度为5.0、6.0，考虑到完全性选择mm有效厚度mm，计算厚度mm封头同6.1上封头计算厚度有3、2可知mm有效厚度mm名义厚度m6.2.2有效补强范围对受外压所需最小补强面积A为mm2有效宽度B=184mm外侧高度mmmmmm补强范围内补强金属面积壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积mm2接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积 mm2接管区焊缝面积由于焊缝处面积相对其他面积来说很小可以忽略，因此 mm2有效补强面积 mm2所需棱形补强面积 mm26.2.3补强圈设计公称直径为80mm选补强圈，根据7规定补强厚度不
32、能大于1.5倍的壳体厚度。取补强圈外径mm，内径mm。因B=160mm 补强圈厚度为mm取补强名义厚度为12 mm。6.3常底油入口6.3.1筒体及接管的计算筒体 假设名义厚度为mm，有效厚度mm由7查的 A=0.00026 B=28MPa则许用外压力MPa且接近所以筒体的名义厚度mm，有效厚度mm，计算厚度mm接管 假设名义厚度为mm，有效厚度mm=50 查7可知A=0.00013 则B=13.8MPa因此许用外压力MPa且接近则接管的名义厚度mm有效厚度mm，计算厚度mm6.3.2有效补强范围强度削弱系数对受外压圆筒或球壳所需最小补强面积A为mm2有效宽度Bmmmmmm外侧高度mm mm内侧高度mmmmmm壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积mm2接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积 mm2接管区焊缝面积由于焊缝处面积相对其他面积来说很小可以忽略，因此有效补强面积 mm2所需