乙醇水精馏塔设计机械设计部分.docx

一． 前言

乙醇（C2H5OH），俗名酒精，是基本的工业原料之一，与酸碱并重，它作为再生能源犹为受人们的重视。工业上常用发酵法（C6H10O5）n和乙烯水化法制取乙醇。乙醇有相当广泛的用途，除用作燃料，制造饮料和香精外，也是一种重要的有机化工原料，如用乙醇制造乙酸、乙醚等；乙醇又是一种有机溶剂，用于溶解树脂，制造涂料。
众所周知，在医药卫生方面，乙醇作为消毒杀菌剂而造福于人类。人类餐饮饭桌上饮用各种酒品，乙醇也是其中不可或缺的组成部分，如：啤酒含3％～5％，葡萄酒含6％～20％，黄酒含8％～15％，白酒含50％～70％（均为体积分数）。据有关资料表明，乙醇对人体具有营养价值。
现在，乙醇成为了一种新型替代能源－乙醇汽油。按照我国的国家标准，乙醇汽油是用90%的普通汽油与10%的燃料乙醇调和而成。它可以有效改善油品的性能和质量，降低一氧化碳、碳氢化合物等主要污染物排放。它不影响汽车的行驶性能，还减少有害气体的排放量。乙醇汽油作为一种新型清洁燃料，是目前世界上可再生能源的发展重点，符合我国能源替代战略和可再生能源发展方向，技术上成熟安全可靠，在我国完全适用，具有较好的经济效益和社会效益。
乙醇精馏是生产乙醇中极为关键的环节，是重要的化工单元。其工艺路线是否合理、技术装备性能之优劣、生产管理者及操作技术素质之高低，均影响乙醇生产的产量及质量。工业上用发酵法和乙烯水化法生产乙醇，单不管用何种方法生产乙醇，精馏都是其必不可少的单元操作。
本次设计的精馏塔是为了精馏乙醇以得到高纯度的乙醇，要求达到塔顶馏出物浓度（94%（wt％））,塔底浓度（0.1%（wt％））。本设计采用筛板塔，板式塔有一下优点生产能力大，塔板效率高，压降低，操作弹性大，结构简单。

二． 塔设备任务书

简图与说明
比例
设计参数与要求

工作压力MPa
0.004
腐蚀速率mm/a
0.01
设计压力MPa
0.0044
设计寿命 a
20
工作温度
99.05
浮阀个数

设计温度
120
浮阀间距

介质名称
乙醇、水
保温材料厚度/mm
100
介质密度 kg/m3
1000
保温材料密度kg/m3
300
基本风压 Pa
300
存留介质高度 mm
52.5/49
地震烈度
7
壳体材料
Q-235A
场地类别
Ⅱ
内件材料

塔形
筛板塔
裙座材料
Q-235A
塔板数目
48
偏心质量 kg
3000
塔板间距 mm
450
偏心距 mm
1000
接管表
符号
公称
尺寸
连接面形式
用途
符号
公称尺寸
连接面形式
用途
a1,2
450mm
－
人孔
g
45
mm
突面
回流口
b1,2
－
突面
温度计
h1-3
25
mm
突面
取样口
c
－
突面
进气口
i1,2
－
突面
液面计
d1,2
38mm
突面
加料口
j
38
mm
突面
出料口
e1,2
－
突面
压力计
k1-3
450 mm
突面
人孔
f
127
mm
突面
排气口

条件内容修改
修改标记
修改内容
签字
日期

备注
乙醇-水精馏塔设计
单位名称
化工系3班李黎
工程名称

提出人
李黎
日期
06.6.28
三 . 塔设备已知条件

塔体内径
1200
场土地类别
Ⅱ
塔体高度
24900
偏心品质
3000
设计压力
0.0044
偏心距
1000
设计温度
120
塔保温层厚度
100

塔

体
材料
Q-235A
保温材料密度
300
许用
应力

113

裙

座
材料
Q-235B

113
许用应力
113
设计温度下弹性模量

2×10-5
常温屈服点
235
常温屈服点
235
设计温度下弹性模量

2×10-5
厚度附加量
2
厚度附加量
2
塔体焊接头系数
0.85
人孔、平台数
5
介质密度
1000

地脚螺线
材料
Q-235A
塔盘数
48
许用应力
147
每块塔盘存留介质层高度

50
腐蚀裕量
3
基本分压值
300
个数
4
地震设防烈度
7

表二：已知条件列表

四． 塔设备设计计算

1、 选择塔体和裙座的材料
设计压力是指设定的容器顶部的最高压力，由“工艺部分”的工艺条件可知塔顶表压为4kPa；通常情况下将容器在正常操作情况下容器顶部可能出现的最高工作压力称为容器的最大工作压力用表示，即＝0.004MPa；取设计压力
0.0044MPa。
设计温度是指容器在正常操作情况下，在相应设计压力下，设定的受压组件的金属温度，其值不得低于容器工作是器壁金属达到的最高温度。本设计塔内最高温度塔底取得从上可知，设计压力和设计温度都属于低压、低温状态，塔体和裙座的材料可用：
Q235-A，GB912，热轧，厚度为3~4mm，常温下强度指标375MPa、235MPa，设计温度下的许用应力113MPa。（查表8-6）

2、 塔体和封头壁厚的计算
2.1 塔体壁厚的计算
塔体的壁厚是值塔体计算出来的有效厚度，有效厚度可以用下式计算
（式中为理论计算厚度，mm；为除去负偏差以后的圆整值，mm；为名义厚度，mm；为钢板厚度负偏差，mm；为腐蚀裕量，mm。）
2.1.1理论计算厚度
，其中指塔体的内径，由工艺部分计算可知=1.2m；为焊接头系数，本设计采用双面焊、局部无损探伤，=0.85。
=0.03mm
对于碳素钢和低合金钢制容器，，而<，且（钢板厚度按8~25mm计）。假设腐蚀裕量=2mm。
=+=5mm
=5－0.5－2=2.5mm
2.2 封头壁厚的确定
根据塔径=1200mm，取用标准椭圆形封头，（查表8-27）可选用EHA的标准椭圆形封头（JB/T 4746-2002），公称直径DN=1200mm，曲面高度300mm，直边高度25mm，内表面积1.665m2，容积0.255m3，厚度6mm，质量77kg。

3、设备质量载荷计算
塔设备的操作质量：
塔设备的最大质量：
塔设备的最小质量：
3.1 塔体质量
单位长度筒体的质量：

=148.5kg/m
由工艺部分计算可知塔高H=21.6m，取裙座高度h=3m；
筒体质量：=3207.6kg
裙座质量：445.5kg
由前面可知一个封头质量G=77kg，则有封头质量：77×2=154kg
=3807.1kg
3.2 塔段内件质量
查数据可知筛板塔质量 ；由工艺部分计算可知塔盘数为N=48块
3526.8 kg
3.3 保温层质量
保温材料密度为 300kg/m3，厚度为 100mm
筒体部分保温层的质量：
=
封头部分保温层的质量：直边部分＋曲面部分
直边部分：
曲面部分近似计算为：内表面积×厚度×密度 1.665×0.1×300=50kg
封头部分质量＝2×（0.166+50）=100.23kg
所以，=143+100.23=243.23kg
3.4 平台、扶梯质量
本设计用5个钢制平台，笼式扶梯，查资料可知刚直平台和笼式扶梯的单位质量分别为：，。
=
==3442.6kg
3.5 操作时塔内物料质量
由工艺部分计算可知精馏段塔盘数为39，，，
；
提馏段塔盘数为9，，，
==0.785×=3335.66kg.
3.6 附件质量
按经验取附件质量 =0.25=0.25×3807.1=951.78kg
3.7 充液质量
=24926.6kg
3.8 偏心质量
当塔设备的外侧挂有分离器、再沸器、冷凝器等附属设备时，可将其视为偏心载荷。本设计中将再沸器挂于塔上，所以再沸器构成塔的偏心质量，再沸器质量为3000kg，偏心距为1000mm。所以 =3000kg。
3.9 操作质量、最小质量、最大质量

=3807.1+3526.8+243.23+3442.6+3335.66+951.78+3000=18308.23kg

=3807.1+0.2×3526.8+243.23+2950.89+951.78+3000=12150.13kg

=3807.1+3526.8+243.23+2950.89+24926.6+951.78+3000=39898.13kg

4、 风载荷和风弯距的计算
塔设备受风压作用时，塔体会发生弯曲变形。吃到塔设备迎风面上的风压值，随设备高度的增加而增加。为了计算简便，将风压值按塔设备的高度分为几段，假设每段风压值各自均匀分布于塔设备的应分面上。本设计中结合塔高，将风压值分为3段，请参考下图所示。

图一：塔设备的风压示意图

4.1 各段水平风力的计算
各段的水平风力可以用下式计算
式中各符号的含义：－塔设备各计算段的水平风力；－空气动力系数，对于圆筒形设备=0.7；－风振系数，当H20m时，取=1.70，当H20m时，按下式计算
=(－脉动增大系数；－第i段的脉动影响系数；－第i段振型系数；风压高度变化系数)，本设计中H20m；－基本分压值，厂址建在重庆的市区，基本分压为300Pa；－第i段计算段长度；－塔设备各计算段有效直径，当笼式扶梯与塔顶管线布置成180度时(本设计中按180度处理)，
=。对0-1段，
=0.7×1.06×300×0.54×1×（1210+200+400+127）×10-3
=232.84N
对1-2段
=0.7×1.06×300×0.54×2×（1210+200+400+127）×10-3
=465.67N
对2-3段
=0.7×1.21×300×0.54×5.9×（1210+200+400+300+127+2×100）×10-3
=1927.9N
对3-4段
=0.7×1.8×300×0.71×8×(1210+200+400+300+127+2×100）×10-3
=5232.34N
对4-5段
=0.7×1.8×300×0.94×8×(1210+200+400+300+127+2×100）×10-3
=9274.91N

4.2 危险界面风弯距的计算
塔设备的危险接口应取在其较薄弱的部位，如：塔设备的底部0－0、裙座上人孔或较大管线出孔处的接口1－1、塔体与裙座连接焊缝处的截面2－2，本设计将计算这三处塔设备的风弯距。风弯距可以按下式进行计算：
……….
塔底部的风弯距0－0：
=273861N.m
裙座上人孔或较大管线出孔处的界面1－1：

=256844N.m
塔体与裙座连接焊缝处的截面2－2

=223508N.m

5、 地震载荷和地震弯距计算
塔设备在地震波的作用下有三个方向的运动：水平方向振动、垂直方向振动和扭转，其中以水平方向振动危害较大。地震时使塔设备相对于地面运动的惯性力称为地震力。在一般计算中只考虑水平地震力对设备的作用。

5.1 地震载荷
5.1.1 水平地震载力
任意高度处的集中品质引起的基本振型水平地震力/N按下式计算：

式中：－综合影响系数，取0.5；－距地面处的集中品质；－对应于塔设备自振周期他T1的地震影响系数值，；－基本振型参与系数，
=
塔设备的自振周期 (=2.0×105MPa，H=24.9m)
=
取地震烈度为7级可查得=0.23；场地土为II近振，特征周期 =0.3
所以有 =(0.3/1.61)0.9×0.23=0.0507 > 0.2。
塔设备各段质量可以近似的按下表中的处理
5.1.2 垂直地震力
塔设备的垂直地震力按下式计算：（=0.65=0.0329；
=0.7513362.4kg) ，所以有：=4319.77N
任意质量处垂直地震力按下式计算：=

塔段
0~1
1~2
2～3
3~4
4~5
长度/m
1
2
5.9
8
8
各点距地面高度/mm

500

2000

5950

12900

20900
质量/ kg
148.5
374
6850.9
5220.6
5220.6

0.0049
0.0394
0.2024
0.6462
1.3327
/N
0.181
3.67
344.88
838.99
1730.18
/N
1.47
14.82
807.58
1334.23
2161.66
表三：水平、垂直地震力（以上计算均由Excel自动生成）
5.1.3 地震弯距
对于等直径、等壁厚塔设备的任意截面I-I和底截面0－0底基本振型地震弯距分别按下式进行计算：

当塔设备H/D>15或时还需考虑高振型的影响，在进行稳定和其它验算时，可以按下式进行计算：=1.25
同计算风弯距一样，对危险截面进行地震弯距的计算，因为，所以
=63042.1N.m

==59497.9N.m

==52423.8N.m

6、偏心载荷和偏心弯距的计算
由前面计算可知，，

7、最大弯距的计算
塔设备任意计算截面I-I处的最大弯距按下式进行计算
=Max{，
同前面计算，本设计将对危险截面进行计算，如下表所示

截面
0－0
1－1
2－2
，
273861
256844
223508
，
63042.1
59497.9
52423.8
，
2.94
，
303261
286244
252908

160907

153109

137701

，
303261
286244
252908

表四：求最大弯距

8、塔体危险截面强度和稳定性校核
8.1 圆筒轴向应力
圆筒任意计算截面I-I处的轴向应力分别按下式进行计算。由于内压和外压引起的轴向应力：
由于重力和垂直地震力引起的轴向应力：（其中仅在最大弯距为地震弯距参与组合时计入此项）。最大弯距引起的轴向应力：

8.2 圆筒稳定性校核
圆筒许用轴向应力按下式确定：
圆筒最大组合拉应力按下二式进行校核：
内压塔器：+；外压塔器：++
具体轴向应力求法和校核如下表所示：
计算内容
计算公式及数据
0－0截面
1－1截面
2－2截面
有效厚度，mm
2.5
筒体内径，mm
1200
计算截面以上的操作质量，kg
17816.5
17668
17294
设计压力引起的轴向应力 ，MPa
=
0
0
0.528
操作质量引起的轴向应力，MPa

18.55
18.40
18.01
最大弯距引起的轴向应力，MPa

107.31
101.29
89.49
载荷组合系数K
1.2
系数A

设计温度下材料的许用应力
查表可知（Q-235A，120度）的=113MPa
113
113
113
系数B，MPa
117
117
117
KB，MPa
140.4
140.4
140.4

135.6
135.6
135.6
许用轴向应力
取KB和中的较小者
135.6
135.6
135.6
圆筒最大组合应力+
对内压容器 +（满足条件）
125.86
119.69
107.5

115.26
115.26
115.26
圆筒最大组合拉应力

对内压容器 满足条件
88.95
83.25
71.48
表五：轴向应力的求取及校核

9、 裙座的强度和稳定性校核
塔设备常采用裙座支承，并根据承载的不同，分为圆筒形和圆锥形两种。由于圆筒形裙座制造方便，被广泛采用。但需要配置较多的地脚螺栓和具有足够大承载面积的基础环，以防止由于风载荷或地震载荷所引起的弯距而造成翻到。若经应力校核不能满足，只能选用圆锥形裙座支承。
圆筒形裙座轴向应力校核首先选取裙座的危险截面。危险截面的位置，一般取裙座底截面或裙座检查孔和较大管线引出孔截面处。然后按裙座有效厚度验算危险截面的应力。

9.1 裙座底截面的组合应力
裙座底截面的组合应力按下式进行校核
（仅在最大弯距为地震弯距参与组合时计入此项；－裙座底部截面积，；－裙座圆筒和锥壳的底部截面系数，。）
由上计算可知：
裙座有效厚度、裙座筒体内径、0-0截面处最大弯距和操作质量分别为：，，=303261N.m，
0-0截面积和截面系数分别为：
=3.14×1200×2.5=9420，
0.785×12002×2.5=2.826×106
裙座许用应力：Min {,}=Min{140.4，135.6}=135.6
Min {,}
满足条件，材料安全

9.2 裙座检查孔和较大管线引出孔截面处组合应力
裙座检查孔和较大管线引出孔h－h截面处组合应力按下式进行校核
和

本设计中检查孔加强管长度、加强管水平方向的最大宽度、加强管厚度和裙座内径分别为：，，，
，

=90909420

=0.785×12002×2.52－2×（300×1200×2.5/2－）=
＝Min{140.4, 211.5}=140.4
1-1截面处最大弯距、风弯距、以上操作质量和最大质量分别为
=286244N.m ，256844N.m ，17668kg，39257.9kg

10、塔设备压力试验时的应力校核
10.1 圆筒应力
试验压力引起的周向应力：，本设计采用水压试验，所以=0.001kg/cm3, =1.25=0.0055

试验压力引起的轴向应力：
2-2截面处的最大质量和风弯距分别为：=38883.9kg，
重力引起的轴向应力：
弯距引起的轴向应力：

10.2 应力校核

液压试验时：

从上计算可知，材料安全。

11、基础环设计
裙座外径：
基础环外径：
基础环内径：
基础环伸出宽度：
相邻俩筋板最大外侧间距：
基础环面积：
基础环截面系数：
水压试验时压应力：
操作时压应力：
混凝土基础上的最大压力：
由，，可以查得对X轴和Y轴的弯距分别为，
计算力矩：
有筋板时基础环厚度： 取=12mm

12、螺栓计算
最大拉应力：

基础环中螺栓承受的最大拉应力：
所以塔必须设置地脚螺栓，取地脚螺栓为6个。
地脚螺栓螺纹小径：
（其中＝147MPa），故6－M42地脚螺栓满足要求。

五、结构设计
在板式塔内沿塔高装置了若干层塔盘，液体靠重力作用由塔顶逐盘流向塔底，并在各块塔盘面上形成流动的液层；气体则靠压强差推动，由塔底向上一次穿过各塔盘上的液层而升至塔顶。气液两相在各塔盘上直接接触完成热量和质量的传递，两者组成沿塔高呈阶梯式变化。
塔盘是板式塔内气、液接触的主要元件。塔盘要有一定的刚，以维持水平，使塔盘上的液层深度相对均匀；塔盘与塔壁之间应有一定的密封性，以避免气、液短路；塔盘应便于制造、安装、维修，并且成本要低。
本设计中塔盘设计如下图所示：

塔内径
1200mm
塔盘
开孔类型
－阀孔
排列形式
正三角形排列
塔盘方式
分块式塔盘
阀孔中心距
12mm
塔盘间距
450mm
浮阀个数
4005个
流程
单流程
开孔率
10.1%
降液管型
弓形
溢流堰
堰长
700mm

堰高
精馏段52.5mm；提馏段 49mm
表六：塔结构设计
六、符号列表
英文/
希腊
中文
英文/
希腊
中文

内径，mm

基本振型参与系数

塔高，m

综合影响系数

工作压力/设计压力，MPa

地震影响系数，地震影响系数最大值

设计温度，

水平地震力，N

计算厚度（理论厚度），mm

当量质量，kg

名义厚度，有效厚度，mm

各类场地土的特征周期，s

负偏差，mm

截面处的垂直地震力，N

腐蚀裕量，mm

截面处的地震弯距，
N.m

除去负偏差以后的圆整值，mm

各计算段的外径，有效直径，mm

屈服极限，强度极限，MPa

塔底管线外径，mm

地脚螺栓的许用应力，MPa

第i段保温层厚度，
管线保温层厚度，mm

许用应力，MPa
，
各计算段长度，有效直径，
mm

裙座许用应力，MPa

笼式扶梯当量长度
操作平台当量宽度，mm

焊接接头系数

风压高度变化系数

基本风压值，Pa

体型系数

质量，偏心质量，kg

各计算段的风振系数

偏心距，mm

各计算段的水平风力

保温层厚度，mm

截面处风弯距，N.m

介质密度，保温层密度，kg/m3

偏心弯距，N.m

操作、最小、最大质量，kg

设计压力，操作质量，最大弯距引起的轴向应力，MPa

塔设备自振周期，s

载荷组合系数

各操作段质量，kg

压力试验时圆筒材料的许用轴向压应力，MPa

各点距地面的高度，mm

裙座有效厚度，裙座筒体内径，mm

0-0截面积，mm2，
0-0截面系数，mm3

0-0截面操作质量，kg

检查孔加强管长度，mm

检查孔加强管水平方向最大宽度，mm

裙座内径，mm

1-1截面处裙座筒体截面积
截面系数，mm2，mm3

裙座外径，mm
，
基础环外径，内径，mm

基础环伸出宽度，mm
基础环面积，mm2

相邻筋板最大外侧间距，mm

基础环截面系数，mm3

基础环材料的许用应力
MPa

水压试验时压应力，操作时压应力，MPa

混凝土基础上的最大压力
MPa

最大拉应力，MPa

基础环中螺栓承受的最大拉应力，MPa

地脚螺栓个数
min，max
最小，最大

七、参考文献
1 蔡纪宁, 张秋翔. 化工设备机械基础课程设计指导书. 北京: 化学工业出版社, 2005
2 董大勤. 化工设备机械基础. 北京: 化学工业出版社, 2003
3 陈国理. 压力容器及化工设备. 广州: 华南理工大学出版社, 1995
4 夏颂祺, 丁伯民. 钢架. 北京: 化学工业出版社, 2004
5 丁伯民, 黄正林. 化工容器. 北京: 化学工业出版社, 2003
八、结束语

本次设计历时一周，通过广泛查阅资料、详细计算，终于完成了年产量25,000顿的乙醇－水的精馏设计的机械设计部分。
如果说，以前学化工只是专业知识的积累，抑或只是“纸上谈兵”，那么这次设计就是以前所学知识的一次综合应用，一次“沙场练兵”。可以想象，实际化工厂设计的内容也如此，但是却比这个复杂得多，不会这么得简单能让我在这么短的时间内完成。真正的工厂设计更复杂，不确定性因素更多，不仅要考虑设计的可行性，还要考虑成本的高低，环境污染是否严重，市场前景是否好等等，但是要做好工业生产设计，必须要有扎实的基础知识和一定的设计经验，还要有不怕困难用于拼搏的精神和团队合作精神。
在设计过程中，我感到了所学知识是交融在一起的，它们相互联系、相互补充，前面我们学习的“工程制图”和“机械基础”，这二门课程是本次设计的基础知识。但是我请出的认识到在本次设计中除了扎实掌握这二门知识外；还需要熟练的应用计算机如对word的操作、对AutoCAD等的应用，很强的查阅资料的能力；还需要了一定的经济、环保、人文方面的素养。对于我而言，才刚刚学完了基础专业课程，对许多知识没有深刻的理解和掌握，需要学的东西还很多很多。除了学习和牢固掌握专业知识外，还要不断培养应用计算机的能力，多多了解经济、环保等方面的知识，力争在以后的工作中能够更大限度地应用自己所学。
完成本次设计，虽然多次修改，加之时间匆匆，而且涉及的大部分是专业基本计算上，没用考虑到其它的实际问题，所以在设计和计算中难免会有很多错误和考虑不周处，希望老师多多指正。
最后，我要感谢指导老师的认真教导和热心帮助，感谢在设计过程中给我帮助的每个同学，他们给我提供参考书、帮我解决word处理中的问题、指导我学习和应用AutoCAD等等，加速了我完成本次设计。