厦门大学大三化工设计大作业之设备设计解析

厦门大学

化学工程与生物工程系

设备设计说明书

设计题目：乙醇—水精馏塔设计

塔设计类型：板式浮阀塔

设计者：huxiaoyan

专业：化学工程与工艺

学号：

指导老师：

厦门大学化学工程与生物工程系

目录

一．前言 (3)

二．塔设备设计任务书 (4)

三．塔设备已知条件 (4)

3.1设计温度 (4)

3.2设计压力 (5)

3.3塔条件参数 (5)

3.3.1塔体高度 (5)

3.3.2填料塔内径 (5)

3.3.3塔体和裙座材料选择 (5)

3.3.4 筒体、封头壁厚 (5)

3.3.5塔筒体壁厚计算 (6)

3.3.6封头壁厚的确定 (6)

四．塔设备设计计算 (6)

4.1塔设备质量载荷 (6)

4.2风载荷计算 (8)

4.2.1风压载荷 (8)

4.2.2危险截面风弯矩 (9)

4.3地震载荷计算 (10)

4.3.1地震弯矩 (11)

4.3.2最大弯矩 (11)

五．塔的机械校核 (12)

5.1圆筒轴向应力校核和圆筒稳定校核 (12)

5.2塔设备压力试验时的应力校核 (13)

5.3裙座轴向应力校核 (14)

六．基础环设计 (15)

6.1基础环内外径计算 (15)

6.2基础环的厚度计算 (16)

七．板式塔的结构设计 (18)

一．前言

乙醇—水是工业上最常见的溶剂，也是非常重要的化工原料之一，是无色、无毒、无致癌性、污染性和腐蚀性小的液体混合物。因其良好的理化性能，而被广泛地应用于化工、日化、医药等行业。近些年来，由于燃料价格的上涨，乙醇燃料越来越有取代传统燃料的趋势，且已在郑州、济南等地的公交、出租车行业内被采用。山东业已推出了推广燃料乙醇的法规。

长期以来，乙醇多以蒸馏法生产，但是由于乙醇—水体系有共沸现象，普通的精馏对于得到高纯度的乙醇来说产量不好。但是由于常用的多为其水溶液，因此，研究和改进乙醇—水体系的精馏设备是非常重要的。

根据生产任务，若按年工作日300天，每天开动设备24小时计算，由于产品粘度较小，流量较大，为减少造价，降低生产过程中压降和塔板液面落差的影响，提高生产效率，选用板式浮阀塔。浮阀塔的优点是：

1．生产能力大，由于塔板上浮阀安排比较紧凑，其开孔面积大于泡罩塔板，生产能力比泡罩塔板大20%～40%，与筛板塔接近。

2．操作弹性大，由于阀片可以自由升降以适应气量的变化，因此维持正常操作而允许的负荷波动范围比筛板塔，泡罩塔都大。

3．塔板效率高，由于上升气体从水平方向吹入液层，故气液接触时间较长，而雾沫夹带量小，塔板效率高。

4．气体压降及液面落差小，因气液流过浮阀塔板时阻力较小，使气体压降及液面落差比泡罩塔小。

综合各方面因素，此次的设备设计选择浮阀板式塔。

此次的设备设计，是在我们学习了有关机械课程的基本理论和基本知识后，对自身基本技能的训练，目的是培养我们的设计能力和解决实际问题能力。此次设计的设备是一个用于分离乙醇-水的浮阀板式塔。通过之前的工艺计算，已经得出了塔本身工艺参数、尺寸的初步结果。现在需要在满足这些工艺条件的前提下，通过对其强度、刚度和稳定性的计算，再考虑制造、安装、检修、使用等方面因素，然后作出详细的结构设计，完成整个塔设备的

设计任务。

二．塔设备设计任务书

简图与说明比例设计参数及要求

工作压力，MPa 0.05 腐蚀速率,mm/年0.1

设计压力，MPa 0.10 塔体内径，mm 1000

工作温度，℃99.905 设计寿命，年20

设计温度，℃150 塔板间距，m 0.45

介质名称乙醇水塔形浮阀

介质密度，kg/cm3886 裙座材料Q235-A

传热面积，m2 保温材料厚度，mm 10

基本风压，N/ m2500 保温材料密度，kg/cm3300

地震基本烈度9 壳体材料Q235-A

容器类型一类内件材料

接管表

符号公称尺寸

DN 连接面

形式

用途符号公称尺

寸，DN

连接面

形式

用途

a 1,250 通风孔 f 450 突面排气口

b 1,232 突面温度计g 100 突面回流口

c 45 突面进气口h 1-225 突面取样口

d 1100 突面加料口P 1,215 突面液面计

e 1,225 突面压力计j 125 突面出料口

K1,2450 突面人孔备注：详细请见A1设备设计塔器图（附图）

三．塔设备已知条件

3.1设计温度

根据化工设计的最高工作温度为99.905℃，所以设计温度可定为150℃。

3.2设计压力

0P=1.1(P +)P P ⨯-气液柱

49.28810D p Pa =⨯, 4

7.77510W P Pa =⨯

44(9.2887.775)108.532100.08522

D W P P P MPa ++⨯==⨯=汽＝

液体平均密度3((824.15930.66

877.4/2

Lm Lm L Kg m ρρρ++=

=

=精)提）2

则工作压力可估算取为822.49.8120.70.500.084c P MPa =⨯⨯⨯= 可令设计压力为0.1Mpa

3.3塔条件参数

3.3.1塔体高度

由化工设计可知：()1010.45370.4520.7m

-⨯+⨯=

现设塔顶加回流段总高为2m ，塔底进气段1m 及裙座高3.0m ，封头0.275m 得 塔总高为

20.7420.275227.25m +++⨯=

3.3.2填料塔内径

由化工设计可知：填料塔内径为1000mm.

3.3.3塔体和裙座材料选择

由于设计压力P ＝0.1MPa(表压)属于低压分离设备，工作压力较低，属于一类容器；介质腐蚀性小，选择采用Q-235A 号钢材作为材料。

3.3.4 筒体、封头壁厚

先按内压容器设计厚度，然后按自重、液重等引起的正应力及载荷引起的弯曲应力进行强度和稳定性校核。