精馏塔毕业设计

XXXX大学

设计说明书

题 目： 2.6万吨/年乙烯精馏塔设计 院 系： 专 业： 过程装备与控制工程专业_____ 班 级： 学生姓名： 指导教师：

论文提交日期：2005年 6月 25 日 论文答辩日期：2005年 6月 27 日

内容摘要

塔设备是化工、石油等工业中广泛使用的重要生产设备。塔设备的基本功能在于提供气、液两相以充分接触的机会，使质、热两种传递过程能够迅速有效地进行；还要能使接触之后的气、液两相及时分开，互不夹带。塔设备主要应用在石油化工行业，其种类很多，比如有常压塔，加压塔及减压塔，还有按单元操作分有精馏塔，吸收塔，萃取塔，反应塔，填料塔，干燥塔等。

本次设计的是2.6万吨乙烯精馏塔，在本次设计中主要包括三大方面的内容：一是工艺计算，二是强度及稳定性的计算，三是专题部分。

第一部分主要进行了物料衡算，塔内物件尺寸的确定，各种管径的确定，附属设备的选择等等。

第二部分在强度及稳定性计算中，计算出塔器的各部分质量，对塔的三个危险截面进行校核，主要是质量载荷，风载荷和地震载荷的计算。还要进行补强的计算。

最后是专题部分，即吊柱的选用与校核。 关键词：板式塔 精馏设备 填料塔

Abstract

Tower equipment is the important production equipment that chemical industry , petroleum ,etc. used extensively in industry. The basic function of the tower equipment lies in offering the angry , chance in order to be fully contacted of two phase of liquid , make the quality , two kinds of hot transmittance process can go on promptly and efficiently ; Can is it exposed to gas , liquid two phase after separate in time , carry each other secretly to make also. The tower equipment is applied to the trade of petrochemical industry mainly, there is a lot of its kind , for example there are atmospheric pressure towers, pressurize in the tower and reduce pressure in the tower, operate and divide rectifying tower according to the unit , absorb the tower, lie between and suck the tower, extract the tower , the reaction tower, dry tower ,etc..

The one that designed is 2 this time. The rectifying tower of 60,000 tons of ethylene, design main content including three major respects in China this time: First, the craft is calculated, second, the calculation of the intensity and stability, third, thematic part. First part Be regarded as the weighing apparatus of the supplies mainly, the sureness of the size of the things in the tower, the sureness of different pipe diameters, choice of the accessory equipment ,etc..

Second part In the intensity and stability are calculated , calculate out every part of quality of the tower device , check three dangerous sections of the tower, mainly quality load, the calculation with loaded wind load and earthquake. Mend strong calculation. It is a thematic part finally, namely hang the exertion and check of the post.

Keywords: Tray Tower Distilling Equipment Packed tower

目录

塔设备概述 ................................................. 1 第一部分：工艺计算 ......................................... 3

第一节 物料衡算 ...................................................... 3

1) 塔顶产品量 ...................................................... 3 2)塔釜,塔顶流量及组成 .............................................. 3 第二节 确定塔温 ...................................................... 4 1）塔釜温度的确定 .................................................. 4 2）塔顶温度的确定 .................................................. 5 3）进料温度 ........................................................ 5 第三节 塔板数的计算 .................................................. 6 1） 确定最小回流比 ................................................. 6 2）确定最小理论板数 ................................................ 7 4）实际塔板数 ...................................................... 7 5）确定进料板位置 .................................................. 8 第四节 塔径计算 ..................................................... 8 1）精馏段塔径 ...................................................... 8 2）提馏段塔径 ..................................................... 12 第五节 塔内物件的工艺尺寸 ........................................... 12 第六节 流体力学验算 ............................................... 14 1）气体流过塔板的压降 ............................................. 14 2)液泛校核 ........................................................ 15 3）沫夹夹带情况 ................................................... 15 第七节 安全操作范围和操作线 ....................................... 16 1）精馏段 ......................................................... 16 2）提馏段 ......................................................... 17 第八节 附属设备的选择 ............................................... 18 1）全凝器的选择 ................................................... 18 2) 再沸器的选择 ................................................... 19 3) 回流泵的选择 ................................................... 19 第九节 管径设计 ..................................................... 20

第二部分 强度及稳定性计算 ................................ 21

第一节 圆筒和封头的厚度和强度计算 ................................... 21

第二节 载荷的计算 ................................................... 22 1) 质量载荷的计算: ................................................ 22 2) 塔的自振周期 ................................................... 24 3）地震载荷及地震弯矩的计算 ....................................... 24 4）风载荷和风弯矩计算： ........................................... 25 5) 最大弯矩 ....................................................... 27 第三节 应力校核 ..................................................... 28 1) 圆筒应力校核： ................................................. 28 2) 裙座壳轴向应力校核： ........................................... 29 第四节 基础环结构设计及校核 ......................................... 30 1） 基础环 ........................................................ 30 2）地脚螺栓计算： ................................................. 31 3）肋板计算： ..................................................... 31 4）盖板计算： ..................................................... 32 第五节 补强计算 ..................................................... 33 1）塔顶蒸汽出孔 ................................................... 33 2)人孔的补强计算 .................................................. 34 3)进料管接管补强 .................................................. 35

第三部分 吊柱的强度计算 .................................. 36

1）设计载荷 ....................................................... 36 2)曲杆部分的校核 .................................................. 36 2）柱的校核 ....................................................... 37

参考文献 .................................................. 38 附录 英文翻译 .............................................. 1 致 谢 ...................................................... 6

塔设备概述

塔设备是化工、石油等工业中广泛使用的重要生产设备。塔设备的基本功能在于提供气、液两相以充分接触的机会，使质、热两种传递过程能够迅速有效地进行；还要能使接触之后的气、液两相及时分开，互不夹带。因此，蒸馏和吸收操作可在同样的设备中进行。

根据塔内气液接触部件的结构型式，塔设备可分为板式塔与填料塔两大类。 板式塔内沿塔高装有若干层塔板(或称塔盘)，液体靠重力作用由顶部逐板流向塔底，并在各块板面上形成流动的液层；气体则靠压强差推动，由塔底向上依次穿过各塔板上的液层而流向塔顶。气、液两相在塔内进行逐级接触，两相的组成沿塔高呈阶梯式变化。

填料塔内装有各种形式的固体填充物，即填料。液相由塔顶喷淋装置分布于填料层上，靠重力作用沿填料表面流下；气相则在压强差推动下穿过填料的间隙，由塔的一端流向另一端。气、液在填料的润湿表面上进行接触，其组成沿塔高连续地变化。

目前在工业生产中，当处理量大时多采用板式塔，而当处理量较小时多采用填料塔。蒸馏操作的规 模往往较大，所需塔径常达一米以上，故采用板式塔较多；吸收操作的规模一般较小，故采用填料塔较多。

板式塔结构简图

浮阀塔板的结构原理

浮阀塔板的结构特点是在塔板上开有若干个阀孔，每个阀孔装有一个可上下浮动的阀片，阀片本身连有几个阀腿，插入阀孔后将阀腿底脚拨转90°，以限制阀片升起的最大高度，并防止阀片被气体吹走。阀片周边冲出几个略向下弯的定距片，当气速很低时，由于定距片的作用，阀片与塔板呈点接触而坐落在阀孔上，在一定程度上可防止阀片与板面的粘结。操作时，由阀孔上升的气流经阀片与塔板间隙沿水平方向进入液层，增加了气液接触时间，浮阀开度随气体负荷而变，在低气量时，开度较小，气体仍能以足够的气速通过缝隙，避免过多的漏液；在高气量时，阀片自动浮起，开度增大，使气速不致过大。浮阀塔板的优点是结构简单、造价低，生产能力大，操作弹性大，塔板效率较高。其缺点是处理易结焦、高粘度的物料时，阀片易与塔板粘结；在操作过程中有时会发生阀片脱落或卡死等现象，使塔板效率和操作弹性下降。

塔设备主要有三个参数作为其性能好坏的评价指标，即通量、分离效率和操作弹性。通量是指单位塔截面的生产能力，其表征塔设备的处理能力和允许的空塔气速。分离效率是指单位压力降的分离效果，板式塔以板效率表示，填料塔以等板高度表示。操作弹性即塔的适应能力，表现为对处理物料的适应性和对气液负荷波动的适应性。塔的通量大、分离效率高、操作弹性大，塔的性能就好。

第一部分：工艺计算

第一节 物料衡算

1) 塔顶产品量

按7200小时/年考虑，

2.6*104103

摩尔流量(C2H4): =128.74kmol/h

28.05*7200

2) 塔釜,塔顶流量及组成

表1 进料各组分组成及性质

选择乙烯为轻关键组分，乙烷为重关键组分，比乙烯沸点低的甲烷是轻组分，比乙烷 沸点高的丙烯是重组分，两关键组分挥发度相差较大，且两者是相邻组分，

为清晰分割情况，比重关键组分还重的丙烯在塔顶不出现，比请关键组分还轻的甲烷在塔顶不出现。

这样塔顶馏出液由甲烷乙烯和少量乙烷组成。塔釜由丙烯乙烷和少量乙烯组成。 规定：塔顶乙烷含量，

表2

在全塔内对乙烯进行物料衡算：

F=D+W„„„„„„„„1） f×0.88989=129.78×0.992+w0.000303 FXF=DYXD+WXw „„2） f=129.78+w 解得 W=14.9424kmol/h F=144.72kmol/h 则塔顶塔釜摩尔分率及摩尔流量列于表3

表3 塔顶塔釜摩尔分率及摩尔流量

第二节 确定塔温

1）塔釜温度的确定

查P-T-K图，计算 yi=KiXi=1

假设泡点温度为20℃则可查烃类P-T-K得C2H4、C2H6、C3H6、CH4得Ki依次为20.5, 16, 4.6, 7.6

代入得yi=ki*xi0.00303×20.5+0.9474×16+0.04954×4.6+7.6=15.4>1 说明此泡点温度过高。 假定温度为-10OC

yi=ki*xi1.34×0.00303+0.93×0.9474+0.28×0.04954=0.899

假定温度为-2OC

yi=ki*xi1.54×0.00303+1.24×0.9474+0.33×0.4954=1.00003

所以：塔釜温度为-2OC

2）塔顶温度的确定

采用全凝器。

采用P-T-K图查出ki值计算 yi=KiXi 塔顶温度假设露点温度为-20℃

yi

=1

i1ki

n

xi=

yi0.9920.009990.0073=++=0.913

0.655.1i1ki1.09

n

说明此温度偏高 假设露点温度为-25℃：

xi=

yi0.9920.009990.0073

=++=1.0364>1

0.654.82i1ki0.96

1.03641

×1=-24.05℃

1.03640.9851

n

试差法： -25℃+

所以：塔顶温度为-24OC

3）进料温度

查P-T-K图，计算 yi=KiXi=1 假设泡点进料且温度为-20℃

yi=ki*xi1.34×0.88989+0.927×0.09843+0.267×0.0051+5.55×0.00658>1

说明此进料温度过高 假设进料温度为-23℃

yi

=

ki*xi

1.01×0.08989+0.682×0.09843+0.179×0.0051+5.05×

0.00658=1.00006 所以：进料温度为-23OC

对塔的各部位温度列于下表中

表4 塔的温度列表

第三节 塔板数的计算

1）确定最小回流比

假定塔内各组分的相对挥发度恒定，且为衡分子流，由恩德无德公式视差求。

AxXFABxXFBX

++„„+CxFC=1-q „„„„（1）

CAB

AxXpABxXPBX

++„„+CxPC=RM+1 „„„„（2）

CAB

式中：XFA,XFB,XFC——进料中A，B，C组分的分子分数； XPA，XPB，XPC——塔顶组分A，B，C组分的分子分数； q—— 进料热状态参数。泡点进料，q=1; 有关数据及 αi列表如下： 表5

将数据带入（1）式中：

1.48*0.8891*0.098430.26*0.00517.4*0.00658

0

1.4810.267.4

试取θ计算： θ=1.533 (1)式=0.07530 θ=1.35 (2)式=-0.0374 0

内插法得θ=1。48，将θ带入（2）式，求的Rm,

1.48*0.9921*0.000990.26*07.4*0.0073

Rm1

1.481.4811.480.261.487.4148

解得： Rm=2.2664 取回流比R=1.5×Rm=3.4 2）确定最小理论板数

理论回流比可取为1.5 Rmin=3.26 3）确定理论板数

理论板层数由芬斯克方程求Nmin

lg[(Nmin=

RRminR1

XiX

)D(h)W]XhXl

1=31.256

lglh=0.3469

NNminN2

查吉利兰图得=0.36

解得N=43.2 取44块（不包括再沸器） 所以：理论塔板数为44块。 4）实际塔板数 ET=0.49（L）0.245

塔顶，塔釜的平均温度 T=-13℃

查烃类P-T-k图，得平衡常数： KC2H4=1.455, KC2H6=0.839

——相对挥发度为：=1.7432

l=Xli=0。88989×0。07+0。09843×0.07+0.0051×0.0051+0.00658×

i

0.02=0.06999 解得ET=0.822

所以：实际板数N=取55块 5）确定进料板位置

NT

=44/0.882=53.5 ET

lg[(

精馏段板数 nm=

XliX

)D(hk)F]XhhXlk

（1）

lg(lh)iXliX

)F(hk)W]XhhXlk

（2）

lg(lh)T

lg[(

提留段板数 mm=

m+n=54 （3）

（注 lh为轻关键组分对重关键组分相对挥发度，取塔顶、进料、塔釜三处得几何平均值）

（lh）i=D*F=1.642 （lh）T=F*W=1.732 则nm=21.87 取22块 则提留段板数为mm=54-32=32

第四节 塔径计算

1）精馏段塔径 a) 气液相负合及重度 精馏段以塔顶为计算基准，

表6 塔顶各组分得临界性质列

对比压力：pr=

21P==0.42 Pc50.443

对比温度：Tr

TpTc

=

24273

=0.882

282.242

查得压缩系数Z=0.75

塔顶上升蒸汽量：G=VD=（R+1）D=571kmol/h 体积流量：VSD

ZnRT

=416.4立方米/小时 P

塔顶上升蒸汽重度： Υv =38.32kg/m3

表7 进料各组分得临界性质

对比压力：pr=

21P

==0.418 Pc50.2075

对比温度：Tr

TpTc

=

23273

=0.872

284.4995

查得压缩系数Z=0.691 体积流量：VSF

ZnRT

=0.107M3/S P

精馏段气相负合：

3

VSD*VF=0.113M/S

表8 塔底各组分得临界性质

对比压力：pr=

21P

==0.436 Pc46.8538

对比温度：Tr

TpTc

=

2273

=0.879

295.0613

查得压缩系数Z=0.70

上升蒸汽量：G=VD=（R+1）D=（3.26+1）×124.849=571公斤/小时 体积流量：VSW

ZnRT

=422.9立方米/小时 P

查《轻碳氢化合物数据手册》 图2-15、2-17 得各组分重度； 表9 塔顶各组分重度

表10 进料各组分重度

表11 塔釜各组分重度

塔顶各组分质量流量百分比：

qDC2H4=0.928 qDC2H6=0.001 qDCH4=0.0042

1

qDC2H4

lDLDA



qDC2H6

LDC2H6



qDCH4

LDCH4

解得 γ

lD

=0.4575

塔底各组分质量流量百分比：

QwC2H4=0.00276 qwC2H6=0.9363 qwCH4=0.0712 解得γ

lWw

=0.4339

则精馏段液相重度L=LD*LF=0.427*0.429=445.5kg/m3 液相负荷 LS= 26.95m3/h

LL

动能参数



Vv



1/2

=0.2236取板间距Ht=0.4m 塔板上清液层高度为hl=0.07m

查史密斯关联图得C20=0.05

查《轻碳化合物》图4-1、4-2得表面张力

表12 混合液的表面张力

mD=0.9916×3.6+0.001×6.2=3.46

由式

C20200.2

=（）得C

C



=

C20

=0.0352 200.2()



塔顶最大空塔速度 Wmax=C

42840.632

=0.1136m/s

40.06

空塔气速W=0.7×W最大=0.7×0.1142=0.0795m/s 精馏段塔径D=

4Vs

=1.335m u

取精馏段塔径D=1.4m

精馏段实际空塔气WK=0.072m/s

相应的空塔动能因数为Fk=0.072×40.06=5.6

2）提馏段塔径

提馏段气象重度v‘=V/Vs=43。52 提馏段液相重度w=LFLW=430。69 提馏段液相负荷V'SSW*VSF=0。1121m3/s 则提馏段气相负荷：Ls’=RD+qF=38.12m/h 查史密斯关联图得C20=0.045

查《轻碳化合物》图4-1、4-2得表面张力 Ρc2h4=1.21 Pc2h6=3.59 Pc3h6=10.49 混合液的表面张力m=3.925

C



3

=

C20

=0.0325 200.2()



最大空塔速度: Wmax=C

42840.632

=0。0969

40.06

空塔气速：W=0.7×W最大=0。0678m/s 提馏段塔径D=

4Vs

=1.45; 取塔径1。4m u

馏段实际空塔气WK’=0.073m/s

第五节 塔内物件的工艺尺寸

1）、溢流程数的选择

根据塔径1.4米，液相负荷30～40m 3/h，查《有机化合物》表9-5可知选单流型即

可满足要求。采用工型浆液板，分块式塔盘。 2）、校核溢流强度

堰长： lW=0.7×D=0.7×1.4=0.98m。 精馏段校核：i=ls/lw=27.5m 3/h; 提馏段校核：I’=ls’/lw’=38.9 m 3/h; 3)、塔堰高的确定

Hl=hw+how

l

h——塔板上清液层高度; hww ——出口堰高度 how——堰上清液层高度

精馏段： how=0.03459 提留段： how’=0.037 4)降液管面积

AfWd

查《浮阀塔》表3-3知=0.143 =0.0878

DAT

塔板面积AT=

2

D=0.785×1.42=1.54㎡ 4

堰宽Wd=0.143×1.4=0.2m

溢流面积Af=0.878× AT=0.1385㎡

5）校核液体在降液管内停留时间

精馏段t=

Af*HT

L

=7.4s5s

提馏段t'=

Af*HT

L

'

=5.2s5s

降液管出口处的流体流速： 精馏段： Ud=Ls/Af=0.054m/s; 提馏段： Ud’=ls’/Af=0.77m/s 6） 降液管下端距塔盘的距离h：

h=

L

lwwol

wol降液管下端出口处的流速一般取0.07~0.25m/s 可取0.2m/s

26.95

=0.0382m〈hl=0.07m

0.98*0.2*3600

35.12

提馏段ho'==0.054〈hl=0.07m

0.98*0.2*3600

精馏段ho=

取距离为：h=0,05m 7）浮盘数

采用F-1重阀, 阀孔直径为39。

72.80.548

)=1.387m/s 40.632

72.80.548

)提馏段临界阀孔气速: uok’=(=1.326m/s 40.632

精馏段临界阀孔气速 ：uok=(

开孔率

u

×100%=5。2% u0

阀孔总面积： 精馏段： A'0=



4

提馏段: A'0=D2*=0.0847m2

4

D2*=0。08m2

精馏段阀数: N=

Vs

2

d0u04

Vs

'

=67个

提馏段阀数: N=

'

4

=70个

2

d0u0

精馏段与提馏段取相同的阀孔数：为68个。 8)塔盘的布置

安定区Wf=0.06m; 无效区Wc=0.05m 按照等边三角形叉排列 则中心距t=105mm.

第六节 流体力学验算

1）气体流过塔板的压降

正常操作，浮阀全开。

干板压力降:hp=hc+hl+h 全开前:hc=0.7

G00.1751

=0.000685米液柱 u0

A0l

u20v

全开后hc=5.34=0.046米水柱

2gl

hl=0.4hw+how=0.4×0.43+0.027=0.0442米水柱 克服表面张力压降h可忽略 hp=hl+ho=0.074米水柱

2) 液泛校核

逸流管内液成高度： Hd=hl+hp++hd+hv

ls

hd=0.153lh

w0

=0.042米液柱 

2

对hv可忽略不计，对浮阀塔可忽略不计

又因操作压力小于30大气压hv可以忽略，故溢流管内液层高度 Hd=hl+hp+hd=0.144米

取充气因子β=0.5，β（HT+hw）=0.5×(0.4+0.0374)=0.218>0.144 所以可以避免液泛。

3）雾沫夹夹带情况

vll

's

精馏段V负=Vs

367.39540.632

=0.033立方米/秒 *

360042840.632

提馏段V

'

负

=V

'v378.39541.75

=0.0346立方米/秒 *

'l'l360042741.75

Z=d-2Wd=1.4-2×0.2=1.0m

Aa=AT-2Af=1.54-2×0.135=1.27立方米

K取0.85

CF查《基本有机化学工程》图9-28可知CF=0.107 则精馏段:F1=

100V负136LsZ

KCFA

%=33.3

提馏段F1'=38.3%

所以产生的雾沫夹带量不超过0.1公斤液体/公斤蒸汽，符合要求。

第七节 安全操作范围和操作线

1）精馏段

（1）液相负荷上限:

取t=3秒 L上液相负荷下限:

HTAf

t

=

0.4*0.135

=0.985立方米/秒 3

因采用平直堰L下0.000854lw=0.000854×0.98=0.000837立方米/秒 气相负荷下限::

V下

0.00597N

v

=

0.00597*68

40.6

=0.0632立方米/秒

气相负荷上限——液泛线 A=

191000*v

=3.83

N2l

B=HT1.4hw=0.5×0.4+(0.5-1.4)×0.043=0.1685 C=

0.1530.153==99.57 22

lwh00.982*0.04

D=

1.248

=1.265 2/3

lw

2/3

所以液泛线为：3.83Vs20.168599.57L2Lss1.265

v雾沫夹带线为： lv

Vs136ZLsFKCFA 

9.88Vs133.3Ls7.15

用计算机绘出个操作线如图1。

操作弹性为：v上/v下=2。55

2）提馏段

液相负荷上限: 取t=3秒 L上液相负荷下限:

因采用平直堰L下0.000854lw=0。00837立方米/秒 气相负荷下限::

HTAf

t

=0。0185立方米/秒

V下

0.00597N

v

=

0.00597*60

41.75

=0.0615立方米/秒

气相负荷上限: 液泛线 A=

191000*v

=4.3 2

Nl

B=HT1.4hw=0.1685 C=

0.1530.153==99.56 222

lwh00.98*0.0508

D=

1.248

=1.265 2/3

lw

2/3

4.3Vs20.168599.56L2s1.26Ls

v

所以雾沫夹带线为lv



Vs136ZLsFKCFA 

得10.46Vs133Ls8.47 用计算机绘出个操作线如图2。

操作弹性为：v上/v下=2.76

图2: 提馏段操作线

第八节 附属设备的选择

1）全凝器的选择

选用冷凝介质为-35℃液氨

塔顶温度为-24℃，混合蒸汽的汽化热对全凝器进行热量恒算，以单位时间为基准并忽略热损失，所需传递的热量。

表12

Qc=VIVD-（LILD-DICD）， ∵V=L+D=（R+1）D，

所以：Qc=（R+1）D（IVD-ILD）=213761kj/h

2) 再沸器的选择

以再沸器为系统进行热量恒算，各成分的焓差 表13

QB=V/IVW+WILW-L/ILW+QL，

QL——为再沸器的热量损失，IVW——为再沸器中上升蒸汽的焓，ILW——为釜液的焓，提馏段底层板下降液的焓。

QB=V/IVW+WILW-L/ILW+QL=19396kj/h

3) 回流泵的选择

回流量L=RD=441 KMol/h， 所以体积流量：Vs=27 m3/h。 所以泵选择扬程为30m.

第九节 管径设计

1）塔顶蒸汽管

查表得蒸汽气速12~20立方米/秒 蒸汽量VD D2=

VD

393.966

0.113立方米/秒 3600

v4

取v=15m/s 则得D=0.0918m

取 Φ219×6的管。公称直径为Dg200。 2）回流管管径

因为回流泵所取wR2m/s

dR

4ls4l

=0。0756 

3600wRvlwR

取dR=Φ108×4 公称直径为Dg100。 3）进料管管径

料液由高位大槽进入塔内WF取0。6m/s

dF

4F

=0。075

3600wFvl

取 Φ108×6的管。公称直径为Dg100。 4）塔釜出料管

dW

4W

=0。0216

3600wWvl

取 Φ76×4的管。公称直径为Dg65。 5）进再沸器管

d

4F

=0。122m Vsvl

取 Φ219×6的管。公称直径为Dg200。

6） 再沸器蒸汽入塔器 取速度为5m/s

d

4*5.4156

=0.055m

58*3.14*428

取 Φ194×6的管。公称直径为Dg175。

第二部分 强度及稳定性计算

第一节 圆筒和封头的厚度和强度计算

圆筒和封头材料选用16MnDR,许用应力[б]=163mpa. 圆筒计算厚度:

б=PcDi/（2[б]tФ-Pc）

其中： Pc——计算压力， Pc=1.1P=1.3mpa； Ф——焊接接头系数， 取1；

按GB709-65, 钢板厚度负偏差C1=1mm，腐蚀余量取1mm；

б=2.3×1.4/2×16381-0.3=9.95mm

取钢板名义厚度бn=12mm. 封头厚度计算: 标准椭圆封头K=1;

б= PcDi/（2[б]Ф-0.5Pc）=9.91mm 取钢板名义厚度бn=12mm. 实验压力校合：

（1） 液压实验校合：

t

Pt=1.25P[б]/[ бt]=1.25×163=203

第二节 载荷的计算

1) 质量载荷的计算:

H=53×0.4+4×0.3+1.6+2+1.5+3=30.1m 塔壳和裙座的质量

m01=π/4[（1.4+0.015×2）2-1.42]×（27.8+3）×7.85×103 =π/4（1.4302-1.42）×30.8×7.85×103=15721㎏。 人孔、法兰、接管等附件质量: ma=0.25 m01=2873㎏。 内构件质量

m02=π/4×1.42×55×75=6235㎏。（单位面积重75㎏） 保温层质量

m03=π/4[(1.4+0.012×2+0.2) 2-(1.4+0.012×2)2]×27×45=582㎏.

平台、扶梯质量：

m04=40×30+π/4[(1.63+0.05×2+1.2×2) 2-(1.63+0.05×2)2]×150×6×1/2 =1200+49681.1=3924㎏.

操作时塔内物料质量m05=π/4×1.42×0.07×450×55=3670㎏.

2

充水质量mw=π/4×1.4×27×1000=38484㎏.

塔器的操作质量m0= m01+m02+m03+m04+ m05+ma= 32765㎏， 塔内的最大操作质量mmax= m01+m02+m03+m04 +ma+ mw=47592㎏ 塔内的最小操作质量mmin= m01+0.2m02+m03+m04 +ma=24107㎏

将塔沿高度分成5段，每段高为6m，其质量列入表14中。 图3

2) 塔的自振周期

T1=90.33H（m0H/EδeDi3）1/2×10-3 , 其中δe=δn-c=15-0.25-1.2=13.55mm

T1=90.33×30000（36789.5×30000/2×105×13.55×14003）1/2×10-3

=1.4s

3）地震载荷及地震弯矩的计算

0000ME1.25ME4.775*10^8Nmm 1

I-I截面地震弯矩：

ME

11

1.25Fk1hkh4.8108Nmm

k1

5

Ⅱ-Ⅱ截面地震弯矩：

M

22

E

1.25Fk1hkj4.1108Nmm

k1

5

4）风载荷和风弯矩计算：

将塔沿高分成6段（如图4所示） 图4

表16

0-0截面风弯矩:

l1l

M0Pi1P2l2Nmm=1.045065×10^9N×mm

2

2

Ⅰ—Ⅰ截面风弯矩：

Mw

11

0.8P1

ll11000l

P2l110002P3l11000l339.87282Nmm222

II-II截面风弯距

L2L3L13000

ME=0.4P1（ ）+P2（L1-3000+ ）+P3（L1-3000+L2+）=8.8817×

222

10^8Nmm

5) 最大弯矩

塔底部见面0—0处：

M

00max

00

MwMe00 取其中较大值 00eMz0.25MwM

00

Mw1.045109Nmm 0000ME0.25Mw5.0108Nmm

Ⅰ—Ⅰ截面:

1111MmaxMw1.2162109Nmm

2222II-II截面MmaxMw8.882108Nmm

第三节 应力校核

1) 圆筒应力校核：

2) 裙座壳轴向应力校核：

a、0—0截面

裙座壳为圆筒形材料为16MnDR 计算系数：A

0.094

0.00188 查得B=160Mpa Ri

e

MmaxZsb

00



mgFv11

Asb

该塔由风弯矩控制所以Fv00不计

底部截面积：AsbDiss61456mm2

Di2ss底部截面系数：Zsb2.198*10^7mm3

4cos

KB1.2160192

取195.6Mpa t

Ks1.2163195.6MPa

00Mmaxmg

55195.6MPa ZsbAsb

KB1.2160192

取19.56Mpa 

0.9K11.2163195.6s0.3MwZsb

00



mmaxg

22.2192MPa Asb

b、管线因出口Ⅰ—Ⅰ截面处的组合应力：

h1000mm es10.75mm,bm=450mm,m14mm,lm=110mm,Dim=1398mm

11m032650kg

Asm=∏Dimes=54232mm^2 截面系数：zsm=1.675×10^7㎜3

1

m1kB0

M

应力校核： max

Zsm192

即： 263

195.6

11

第四节 基础环结构设计及校核

1） 基础环

基础环外径：D0bDis160~！40014003001700mm 基础环内径：DibDis160~40014003001100mm

4

D0bDib1700411004

Zb3.97108mm3

32D0b321700

4

Ab



D4

20b2Dib





1700

4

2

110021.32106mm2



bmax

1.216210938902.49.812.8735MPa 86

4.05101.3210

b170014282.32 l85216

查表得：Mx0.212bmaxb211632Nmm

My0.061bmaxl26793Nmm

Mx>My

所以：Ms=Mx=11632Nmm 基础环的厚度：

b

6Ms

b



611632

22.3mm 取b30mm

148

2）地脚螺栓计算：

地脚螺栓承受的最大拉应力：

00MwMemming



ZAb

（最大值） b=00b

00

ME0.25MwMemgF00

0vZb

得b=2。45Mpa. 地脚螺栓螺纹小径计算：

d1

BAb

c232.5mm



nbt

4

腐蚀余粮取3mm. 材料Q235A. 选用螺栓M36×4

则地脚螺栓M36×4，共16个

3）肋板计算：

L2=138mm; G=14mm; n1=2; 一个地脚螺栓所承受的最大拉力：

F

BAb

n

2.02105N

0.5lk

37.1 l

肋板细长比：

2E

153.3 临界细长比：c

0.6G故c

10.4



2

G肋板许用压应力：c



cv

2

其中：v1.52



3

.539 c



110.42

则C

10.4

37.12

Gc

v



153.3

1401.539

88.4MPa肋板压应力：

G

Fn52.388.4

Gl2

所以：Gc

4）盖板计算：

盖板为有垫板的环形盖板

3Fl3

Z

4ll2l2

23c44d2z

式中：l17001424

2

2

138； l4110； l3110；z22 ; 最大应力：Z91.2140MPa 所以：ZZ

盖板厚度16mm，垫板厚度22mm 裙座与塔壳对接连接焊逢校核：

4MmaxD2m

0gD0.6[TW] ites

ites

即 36.3

c16 

第五节 补强计算

1）塔顶蒸汽出孔

接管的材料为20#钢，壳体材料为16MnDR fr强度削弱系数：

t

fnr



137

r

163

0.84 （1）所削弱面积：Ad2et1fr

其中为开孔出计算厚度，封头为标准椭圆形封头PCKiDi

2t

0.5P=10.5 c

接管的有效厚度: et=6-1.5=4.5mm

开口直径：d=di+2c=209

所以：A=（100+12）×11.3+2×11.3×4.5（1-0.84）=12181.9㎜2 （2）有效补强范围 a、有效宽度

B=2d418d2 n2nt245取大值B=418mm b、有效高度

dnt=6=25.9mm

 200外侧有效高度：h

1= n =53.4 取小h1=35.4m 内侧有效高度:hd2= n

取小h0= 0mm

0

(3)有效补强面积

封头多余金属面积

A1=（B-d）(δe-δ)-2δet（δe-δ）（1-f2r）=103mm 接管的计算厚度PCDi

t

2t

P=1.85mm2 c

A2=2h1(δet-δt)fr+2h2（δet-c）fr=187mm2 接管区焊缝面积:A3=2×0.5×6×6=36㎜2

mm

有效补强面积:Ae=A1+A2+A3=326㎜2 另外所须补强面积:A4=A-Ae=1885㎜2 根据公称直径Dg200,采用补强圈补强.

2) 人孔的补强计算

人孔筒节的材料为16MnDR，壳体材料为16MnDR fr强度削弱系数:

ntfr

r



163

1 163

（1）所削弱面积：Ad2et1fr 其中为开孔出计算厚度，筒壳的厚度接管的有效厚度: et=12-1=11mm; 开口直径：d=di+2c=458 所以：A=184㎜2 （2）有效补强范围 a、有效宽度

2Pc

t

PCDi

=9.95mm

2d916B= 取大值B=916mm

d22494nntb、有效高度

dnt=74.1mm

 200



外侧有效高度：h1= =53.4 取小h1=53.4mm n dn内侧有效高度:h2= 

0

取小h0= 0mm

(3)有效补强面积

筒体多余金属面积:

A1=（B-d）(δe-δ)-2δet（δe-δ）（1-fr）=232mm2 接管的计算厚度t

PCDi

=3.57mm t

2Pc

接管多余金属面积：

A2=2h1(δet-δt)fr+2h2（δet-c）fr=1296mm2

接管区焊缝面积:A3=2×0.5×6×6=36㎜2 有效补强面积:Ae=A1+A2+A3=2284㎜2

另外所须补强面积:A4=A-Ae=4572-2284=2288㎜2 根据公称直径Dg450,采用补强圈补强.

3) 进料管接管补强

筒节的材料为16MnDR，壳体材料为16MnDR fr强度削弱系数:

ntfr

r



163

1 163

（1）所削弱面积：Ad2et1fr 其中为开孔出计算厚度，筒壳的厚度接管的有效厚度: et=4-1=3mm; 开口直径：d=di+2c=184mm 所以：A=184㎜2 （2）有效补强范围 a、有效宽度

2Pc

t

PCDi

=9.95mm

2d368B= 取大值B=368mm

d22225nntb、有效高度

dnt=33.2mm

 200



外侧有效高度：h1= =53.4 取小h1=33.2mm n dn内侧有效高度:h2= 

0

取小h0= 0mm

(3)有效补强面积

筒体多余金属面积:

A1=（B-d）(δe-δ)-2δet（δe-δ）（1-fr）=94mm2 接管的计算厚度t

PCDi

=1.72mm t

2Pc

接管多余金属面积：

A2=2h1(δet-δt)fr+2h2（δet-c）fr=164mm2

接管区焊缝面积:A3=2×0.5×6×6=36㎜2

有效补强面积:Ae=A1+A2+A3=302㎜2

另外所须补强面积:A4=A-Ae=1635㎜2

根据公称直径Dg450,采用补强圈补强.

第三部分 吊柱的强度计算

1）设计载荷

设计载荷：W=2.2W0

式中W0——起吊载荷 N0,取100kg;

W=2200N;

吊柱材料为20#无缝钢管，其他各件采用Q235A, 吊柱与塔连接的衬板应与塔本体材

料相同。

2) 曲杆部分的校核

吊柱的受力图如下：

图

5

吊柱受载荷情况如上图所示 AD段可按受弯矩及轴向力作用的曲杆计算，其中轴向压

缩应力:

Wc=0.82Mpa A

弯矩发生的最大值发生在A点，在A点的内侧受压缩，压应力

d1M11d1ARKR2=0.19MPa mC

在A点外侧手到拉伸应力

d1M1=0.187MPa MT1ARKR12

WC是压应力，而且其值大于WT. dd2断换算系数：k1 =2.7 16R

最大应力: 22maxmcc0.190.811Mpa

2）柱的校核

吊柱的AB段可视为B端固定，A端受自由载荷的长柱。

柱中的应 (Pa)计算式为：

dW1

2sec 最大应力出现于1处，展开secθ并舍去高次相得 2Ari

max2WWd1s2 10.52AA2ri

21WL2其中 η——吊柱断面中心至断面任一小单元的距离cm， EAi

ri——吊柱断面的惯性半径 E——弹性模量

L——AB段的长度 L=3400-900-1000=1500mm

122r1r2=17.4 对于圆管ri=4

1WL2=0.773×10^(-6) EAi

2

max2WWd1s10.52=1.06 MPa 2AA2ri

在此温度下20#钢的许用应力[]t=130 Mpa

所以吊柱校核合格

参考文献

1. 姚玉英等.化工原理，下册.天津：天津大学出版社，1999.8

2. 《化工设备设计手册》编写组.金属设备，上册：上海人民出版社，1975.7

3. 《化工设备设计手册》编写组.金属设备，下册：上海人民出版社，1975.7

4. 《化工设备设计手册》编写组.材料与零部件，（上）：上海人民出版社，1973.8

5. 化学工业部设计技术中心站，广西大学.塔设备设计：上海科技技术出版社，1985.

6. 石油化工技术参考资料.轻碳轻化合物数据手册，第一册，燃料部第五化工设计院，1971

7. 石油化工技术参考资料.轻碳轻化合物数据手册，第二册，燃料部第五化工设计院，1971

8. 《基础化学工程》编写组.基础化学工程，上海，上海科技技术出版社，1979.12

9. 北京化工研究院“板式塔”专题组.浮阀塔，北京：燃料化学工业出版社，1970.12.15

10.天津大学基本有机化工教研室主编.基本有机化学工程，天津：人民教育出版社

11.化工设备指导性技术文件TCED.化工设备图样技术要求，TCED41002-2000：全国化工设备技

中心站，2001.11

12.GB150-1998 钢制压力容器

13.HG20580-1998钢制化工容器设计基础.国家石油和化学工业局

14.HG20581-1998钢制化工容器材料选用规定. 国家石油和化学工业局

15.GH20582-1998钢制化工容器强度计算规定. 国家石油和化学工业局

16.HG20583-1998钢制化工容器结构设计规定. 国家石油和化学工业局

17.HG20584-1998钢制化工容器制造技术规定. 国家石油和化学工业局

18.HG20585-1998钢制低温压力容器技术规定. 国家石油和化学工业局

19.HG20652-1998塔器设计技术规定

20.HG21514-1998碳素钢、低合金钢制人、人孔和手孔：化学工业部

21.JB4710-92刚制塔式容器，中华人民共和国机械电子工业部, 中华人民共和国化学

工业部、中华人民共和国劳动部、中国石油化工总公司 发布

附录 英文翻译

packed tower

In comparison with tray towers, packed towers are suited to small diameters, whenever low pressure is desirable, whenever low holdup is necessary, and whenever plastic or ceramic construction is required. applications unfavorable to packings are large diameter towers, especially those with low liquid and high vapor rates, because of problems with liquid distribution ,and whenever high turndown is required. in large towers, random packing may cost more than twice as much as sieve or valve trays.

Depth of packing without intermediate supports is limited by its deformability; metal construction is limited to depths of 20~25ft,and plastic to 10~15ft.intermediate supports and liquid redistributors are supplied for deeper beds and at sidestream withdrawal or feed points. liquid redistributors usually are needed every 2.5~3tower diameters for Raschigrings and every 5~10 diameters for Pall rings, but at least every 10 ft.

The various kinds of internals of packed towers are represented in Fig.4.2 whose individual parts may be described one-one;

(a) is an example column showing the inlet and outlet connection and some of the kinds of internals in place,

(b) is a combination packing support and redistributors that can also serve ad a sump for withdrawal of the liquid from the tower.

(c)is an example of a perforated pipe distributor which is available in a variety of shapes, and is the most efficient type over a wide range of liquid rates; in large towers and where distribution is especially critical, they are fitted with nozzles instead of perforations.

(d) Is a redistribution device, the rosette, that provides adequate redistribution in small diameter towers; it diverts the liquid away from the wall towards which tends to go.

(e) s a hold-down plate to keep low density packings in place and to prevent fragile packings such as those made of carbon ,for instance ,from disintegerating because of mechanical disturbances at the top of the bed.

The broad classes of packings for vapor-liquid contacting are either random or structured. The former are small, hollow structures with large surface per unit volume that are loaded at random into the vessel. Structured packings may be layers of large rings or grids ,but are most commenly made of expanded metal or woven wire screen that are stacked in layer or spiral windings .

There are several kinds of packings. The first of the widely used random packings were Racing rings which are hollow cylinders of ceramics plastics ,or metal. They were an economical replacement for the crushed rock rock often used then . Because of their simplicity and their early introduction ,Racing rings have been investigated thoroughly and many date of their performance have been obtained which are still

useful ,for example ,in defining the lower limits of mass transfer efficiency that can be realized with improved packings .

Structured packings are employed particularfly in vacuum service where pressure drops must be kept low .Because of their open structure and large specific surface ,their mass transfer efficiency is high when proper distribution of liquid over the cross section can be maintained.

填料塔

与板式塔比较起来, 填料塔适合到小的直径, 当需要低压力和低的压力时,而且每当塑料或陶瓷的结构需要时.应用不易是大的直径塔, 尤其有低的液体那些而且高的蒸汽速度, 因为液体的分配不均，而且每当高的分离要求时是很难达到的. 在大的塔中，随意的填料排列可能花费两倍于筛板塔或浮阀塔的费用消耗。

没有直接支持的填料深度受到他们形状的限制，金属结构的深度被限制在 20~25 英尺，塑料被限制在10~15英尺,直接支持和液体的再分布被用来使用在深的床上。对于拉西环，液体的重新分布需要大约2.5~3个塔的直径。而对于包耳环大约每5~10个直径需设置一个液体再分布器。但是最小的距离不少于20英尺。

板式塔内部的各中结构在图4.2中列了出来。塔的各个部分逐一讲述。 (a) 是进出口的连接和一些内部空间。

(b) 是填料支撑结构，和从塔上回收液体用的再分布器。

(c) 图示为一种穿孔分布器，这种分布器样式很多，这只是其中之一。它的处理范围叫宽，且效率较高。

(d) 图为一种再分配器，玫瑰花型保证了主够的再分配，它改变了液体的流动方向。

(e)平板用于固定填料，防止发生震动而损害。

用来做汽液接触的填料要么是随机排列要么是有结构的排列。

前者是采用小的形状，中空的结构能使单位体积获得较大的气液接触面积。结构填料通常是大的环状一成的形式排列。但大多数是以金属作成的。

大约有好几种填料形式。最普遍用的填料是拉西环，通常是由瓷器，金属，塑料做成的主型，有时用碎石块代替能获得很好的经济效益，由于它们简单易用，再早期得到了广泛的应用。对于拉西环已经进行了很深入的研究，它的很多性能数据对其它类型的塔有广泛的指导作用。例如，在确定塔的传质效率下限时可应用的数据。从而改变填料。规则填料被用再真空设备，压力必须保持较低。因为他们有开放的结构和大的表面。当有合适的液体分布器排列，它们的效率会有很大的提高。

致 谢

时光飞逝，半年的毕业设计时间马上就要过去了。在这几个月的时间里，在王老师和张老师的悉心指导下，我顺利的完成了自己大学的最后一个环节—毕业设计论文。张老师对待工作认真负责，对学生和善但不失严格。和我们在一起如同朋友，在学习方面给予我们无私的帮助，当我们遇到困难时能及时的给予我们信心与勇气。王老师那种勇于探索的科学精神，乐观进取的工作态度，无私奉贤的师长作风，无论是现在还是将来都是我学习的榜样。

在这半年的时间里，通过自己完成了乙烯精馏塔的设计，我学到了许多东西。分析解决问题的能力，总结归纳的能力，撰写论文的能力都有所提高。所有的这些进步都是与老师的严格要求和悉心指导分不开的。在此，我要对尊敬的导师以及所有帮助我的同学们表示深深的谢意

最后，感谢在百忙之中评阅本论文的各位老师，敬请批评、指教。由于我对本实验的研究时间有限,对某些细节问题理解得还不是很透彻,实验中不可避免的会出现一些问题,所写论文尚有不足之处,希望诸位老师在评审时给予批评指正。

谢谢！

XXXX大学

设计说明书

题 目： 2.6万吨/年乙烯精馏塔设计 院 系： 专 业： 过程装备与控制工程专业_____ 班 级： 学生姓名： 指导教师：

论文提交日期：2005年 6月 25 日 论文答辩日期：2005年 6月 27 日

内容摘要

塔设备是化工、石油等工业中广泛使用的重要生产设备。塔设备的基本功能在于提供气、液两相以充分接触的机会，使质、热两种传递过程能够迅速有效地进行；还要能使接触之后的气、液两相及时分开，互不夹带。塔设备主要应用在石油化工行业，其种类很多，比如有常压塔，加压塔及减压塔，还有按单元操作分有精馏塔，吸收塔，萃取塔，反应塔，填料塔，干燥塔等。

本次设计的是2.6万吨乙烯精馏塔，在本次设计中主要包括三大方面的内容：一是工艺计算，二是强度及稳定性的计算，三是专题部分。

第一部分主要进行了物料衡算，塔内物件尺寸的确定，各种管径的确定，附属设备的选择等等。

第二部分在强度及稳定性计算中，计算出塔器的各部分质量，对塔的三个危险截面进行校核，主要是质量载荷，风载荷和地震载荷的计算。还要进行补强的计算。

最后是专题部分，即吊柱的选用与校核。 关键词：板式塔 精馏设备 填料塔

Abstract

Tower equipment is the important production equipment that chemical industry , petroleum ,etc. used extensively in industry. The basic function of the tower equipment lies in offering the angry , chance in order to be fully contacted of two phase of liquid , make the quality , two kinds of hot transmittance process can go on promptly and efficiently ; Can is it exposed to gas , liquid two phase after separate in time , carry each other secretly to make also. The tower equipment is applied to the trade of petrochemical industry mainly, there is a lot of its kind , for example there are atmospheric pressure towers, pressurize in the tower and reduce pressure in the tower, operate and divide rectifying tower according to the unit , absorb the tower, lie between and suck the tower, extract the tower , the reaction tower, dry tower ,etc..

The one that designed is 2 this time. The rectifying tower of 60,000 tons of ethylene, design main content including three major respects in China this time: First, the craft is calculated, second, the calculation of the intensity and stability, third, thematic part. First part Be regarded as the weighing apparatus of the supplies mainly, the sureness of the size of the things in the tower, the sureness of different pipe diameters, choice of the accessory equipment ,etc..

Second part In the intensity and stability are calculated , calculate out every part of quality of the tower device , check three dangerous sections of the tower, mainly quality load, the calculation with loaded wind load and earthquake. Mend strong calculation. It is a thematic part finally, namely hang the exertion and check of the post.

Keywords: Tray Tower Distilling Equipment Packed tower

目录

塔设备概述 ................................................. 1 第一部分：工艺计算 ......................................... 3

第一节 物料衡算 ...................................................... 3

1) 塔顶产品量 ...................................................... 3 2)塔釜,塔顶流量及组成 .............................................. 3 第二节 确定塔温 ...................................................... 4 1）塔釜温度的确定 .................................................. 4 2）塔顶温度的确定 .................................................. 5 3）进料温度 ........................................................ 5 第三节 塔板数的计算 .................................................. 6 1） 确定最小回流比 ................................................. 6 2）确定最小理论板数 ................................................ 7 4）实际塔板数 ...................................................... 7 5）确定进料板位置 .................................................. 8 第四节 塔径计算 ..................................................... 8 1）精馏段塔径 ...................................................... 8 2）提馏段塔径 ..................................................... 12 第五节 塔内物件的工艺尺寸 ........................................... 12 第六节 流体力学验算 ............................................... 14 1）气体流过塔板的压降 ............................................. 14 2)液泛校核 ........................................................ 15 3）沫夹夹带情况 ................................................... 15 第七节 安全操作范围和操作线 ....................................... 16 1）精馏段 ......................................................... 16 2）提馏段 ......................................................... 17 第八节 附属设备的选择 ............................................... 18 1）全凝器的选择 ................................................... 18 2) 再沸器的选择 ................................................... 19 3) 回流泵的选择 ................................................... 19 第九节 管径设计 ..................................................... 20

第二部分 强度及稳定性计算 ................................ 21

第一节 圆筒和封头的厚度和强度计算 ................................... 21

第二节 载荷的计算 ................................................... 22 1) 质量载荷的计算: ................................................ 22 2) 塔的自振周期 ................................................... 24 3）地震载荷及地震弯矩的计算 ....................................... 24 4）风载荷和风弯矩计算： ........................................... 25 5) 最大弯矩 ....................................................... 27 第三节 应力校核 ..................................................... 28 1) 圆筒应力校核： ................................................. 28 2) 裙座壳轴向应力校核： ........................................... 29 第四节 基础环结构设计及校核 ......................................... 30 1） 基础环 ........................................................ 30 2）地脚螺栓计算： ................................................. 31 3）肋板计算： ..................................................... 31 4）盖板计算： ..................................................... 32 第五节 补强计算 ..................................................... 33 1）塔顶蒸汽出孔 ................................................... 33 2)人孔的补强计算 .................................................. 34 3)进料管接管补强 .................................................. 35

第三部分 吊柱的强度计算 .................................. 36

1）设计载荷 ....................................................... 36 2)曲杆部分的校核 .................................................. 36 2）柱的校核 ....................................................... 37

参考文献 .................................................. 38 附录 英文翻译 .............................................. 1 致 谢 ...................................................... 6

塔设备概述

塔设备是化工、石油等工业中广泛使用的重要生产设备。塔设备的基本功能在于提供气、液两相以充分接触的机会，使质、热两种传递过程能够迅速有效地进行；还要能使接触之后的气、液两相及时分开，互不夹带。因此，蒸馏和吸收操作可在同样的设备中进行。

根据塔内气液接触部件的结构型式，塔设备可分为板式塔与填料塔两大类。 板式塔内沿塔高装有若干层塔板(或称塔盘)，液体靠重力作用由顶部逐板流向塔底，并在各块板面上形成流动的液层；气体则靠压强差推动，由塔底向上依次穿过各塔板上的液层而流向塔顶。气、液两相在塔内进行逐级接触，两相的组成沿塔高呈阶梯式变化。

填料塔内装有各种形式的固体填充物，即填料。液相由塔顶喷淋装置分布于填料层上，靠重力作用沿填料表面流下；气相则在压强差推动下穿过填料的间隙，由塔的一端流向另一端。气、液在填料的润湿表面上进行接触，其组成沿塔高连续地变化。

目前在工业生产中，当处理量大时多采用板式塔，而当处理量较小时多采用填料塔。蒸馏操作的规 模往往较大，所需塔径常达一米以上，故采用板式塔较多；吸收操作的规模一般较小，故采用填料塔较多。

板式塔结构简图

浮阀塔板的结构原理

浮阀塔板的结构特点是在塔板上开有若干个阀孔，每个阀孔装有一个可上下浮动的阀片，阀片本身连有几个阀腿，插入阀孔后将阀腿底脚拨转90°，以限制阀片升起的最大高度，并防止阀片被气体吹走。阀片周边冲出几个略向下弯的定距片，当气速很低时，由于定距片的作用，阀片与塔板呈点接触而坐落在阀孔上，在一定程度上可防止阀片与板面的粘结。操作时，由阀孔上升的气流经阀片与塔板间隙沿水平方向进入液层，增加了气液接触时间，浮阀开度随气体负荷而变，在低气量时，开度较小，气体仍能以足够的气速通过缝隙，避免过多的漏液；在高气量时，阀片自动浮起，开度增大，使气速不致过大。浮阀塔板的优点是结构简单、造价低，生产能力大，操作弹性大，塔板效率较高。其缺点是处理易结焦、高粘度的物料时，阀片易与塔板粘结；在操作过程中有时会发生阀片脱落或卡死等现象，使塔板效率和操作弹性下降。

塔设备主要有三个参数作为其性能好坏的评价指标，即通量、分离效率和操作弹性。通量是指单位塔截面的生产能力，其表征塔设备的处理能力和允许的空塔气速。分离效率是指单位压力降的分离效果，板式塔以板效率表示，填料塔以等板高度表示。操作弹性即塔的适应能力，表现为对处理物料的适应性和对气液负荷波动的适应性。塔的通量大、分离效率高、操作弹性大，塔的性能就好。

第一部分：工艺计算

第一节 物料衡算

1) 塔顶产品量

按7200小时/年考虑，

2.6*104103

摩尔流量(C2H4): =128.74kmol/h

28.05*7200

2) 塔釜,塔顶流量及组成

表1 进料各组分组成及性质

选择乙烯为轻关键组分，乙烷为重关键组分，比乙烯沸点低的甲烷是轻组分，比乙烷 沸点高的丙烯是重组分，两关键组分挥发度相差较大，且两者是相邻组分，

为清晰分割情况，比重关键组分还重的丙烯在塔顶不出现，比请关键组分还轻的甲烷在塔顶不出现。

这样塔顶馏出液由甲烷乙烯和少量乙烷组成。塔釜由丙烯乙烷和少量乙烯组成。 规定：塔顶乙烷含量，

表2

在全塔内对乙烯进行物料衡算：

F=D+W„„„„„„„„1） f×0.88989=129.78×0.992+w0.000303 FXF=DYXD+WXw „„2） f=129.78+w 解得 W=14.9424kmol/h F=144.72kmol/h 则塔顶塔釜摩尔分率及摩尔流量列于表3

表3 塔顶塔釜摩尔分率及摩尔流量

第二节 确定塔温

1）塔釜温度的确定

查P-T-K图，计算 yi=KiXi=1

假设泡点温度为20℃则可查烃类P-T-K得C2H4、C2H6、C3H6、CH4得Ki依次为20.5, 16, 4.6, 7.6

代入得yi=ki*xi0.00303×20.5+0.9474×16+0.04954×4.6+7.6=15.4>1 说明此泡点温度过高。 假定温度为-10OC

yi=ki*xi1.34×0.00303+0.93×0.9474+0.28×0.04954=0.899

假定温度为-2OC

yi=ki*xi1.54×0.00303+1.24×0.9474+0.33×0.4954=1.00003

所以：塔釜温度为-2OC

2）塔顶温度的确定

采用全凝器。

采用P-T-K图查出ki值计算 yi=KiXi 塔顶温度假设露点温度为-20℃

yi

=1

i1ki

n

xi=

yi0.9920.009990.0073=++=0.913

0.655.1i1ki1.09

n

说明此温度偏高 假设露点温度为-25℃：

xi=

yi0.9920.009990.0073

=++=1.0364>1

0.654.82i1ki0.96

1.03641

×1=-24.05℃

1.03640.9851

n

试差法： -25℃+

所以：塔顶温度为-24OC

3）进料温度

查P-T-K图，计算 yi=KiXi=1 假设泡点进料且温度为-20℃

yi=ki*xi1.34×0.88989+0.927×0.09843+0.267×0.0051+5.55×0.00658>1

说明此进料温度过高 假设进料温度为-23℃

yi

=

ki*xi

1.01×0.08989+0.682×0.09843+0.179×0.0051+5.05×

0.00658=1.00006 所以：进料温度为-23OC

对塔的各部位温度列于下表中

表4 塔的温度列表

第三节 塔板数的计算

1）确定最小回流比

假定塔内各组分的相对挥发度恒定，且为衡分子流，由恩德无德公式视差求。

AxXFABxXFBX

++„„+CxFC=1-q „„„„（1）

CAB

AxXpABxXPBX

++„„+CxPC=RM+1 „„„„（2）

CAB

式中：XFA,XFB,XFC——进料中A，B，C组分的分子分数； XPA，XPB，XPC——塔顶组分A，B，C组分的分子分数； q—— 进料热状态参数。泡点进料，q=1; 有关数据及 αi列表如下： 表5

将数据带入（1）式中：

1.48*0.8891*0.098430.26*0.00517.4*0.00658

0

1.4810.267.4

试取θ计算： θ=1.533 (1)式=0.07530 θ=1.35 (2)式=-0.0374 0

内插法得θ=1。48，将θ带入（2）式，求的Rm,

1.48*0.9921*0.000990.26*07.4*0.0073

Rm1

1.481.4811.480.261.487.4148

解得： Rm=2.2664 取回流比R=1.5×Rm=3.4 2）确定最小理论板数

理论回流比可取为1.5 Rmin=3.26 3）确定理论板数

理论板层数由芬斯克方程求Nmin

lg[(Nmin=

RRminR1

XiX

)D(h)W]XhXl

1=31.256

lglh=0.3469

NNminN2

查吉利兰图得=0.36

解得N=43.2 取44块（不包括再沸器） 所以：理论塔板数为44块。 4）实际塔板数 ET=0.49（L）0.245

塔顶，塔釜的平均温度 T=-13℃

查烃类P-T-k图，得平衡常数： KC2H4=1.455, KC2H6=0.839

——相对挥发度为：=1.7432

l=Xli=0。88989×0。07+0。09843×0.07+0.0051×0.0051+0.00658×

i

0.02=0.06999 解得ET=0.822

所以：实际板数N=取55块 5）确定进料板位置

NT

=44/0.882=53.5 ET

lg[(

精馏段板数 nm=

XliX

)D(hk)F]XhhXlk

（1）

lg(lh)iXliX

)F(hk)W]XhhXlk

（2）

lg(lh)T

lg[(

提留段板数 mm=

m+n=54 （3）

（注 lh为轻关键组分对重关键组分相对挥发度，取塔顶、进料、塔釜三处得几何平均值）

（lh）i=D*F=1.642 （lh）T=F*W=1.732 则nm=21.87 取22块 则提留段板数为mm=54-32=32

第四节 塔径计算

1）精馏段塔径 a) 气液相负合及重度 精馏段以塔顶为计算基准，

表6 塔顶各组分得临界性质列

对比压力：pr=

21P==0.42 Pc50.443

对比温度：Tr

TpTc

=

24273

=0.882

282.242

查得压缩系数Z=0.75

塔顶上升蒸汽量：G=VD=（R+1）D=571kmol/h 体积流量：VSD

ZnRT

=416.4立方米/小时 P

塔顶上升蒸汽重度： Υv =38.32kg/m3

表7 进料各组分得临界性质

对比压力：pr=

21P

==0.418 Pc50.2075

对比温度：Tr

TpTc

=

23273

=0.872

284.4995

查得压缩系数Z=0.691 体积流量：VSF

ZnRT

=0.107M3/S P

精馏段气相负合：

3

VSD*VF=0.113M/S

表8 塔底各组分得临界性质

对比压力：pr=

21P

==0.436 Pc46.8538

对比温度：Tr

TpTc

=

2273

=0.879

295.0613

查得压缩系数Z=0.70

上升蒸汽量：G=VD=（R+1）D=（3.26+1）×124.849=571公斤/小时 体积流量：VSW

ZnRT

=422.9立方米/小时 P

查《轻碳氢化合物数据手册》 图2-15、2-17 得各组分重度； 表9 塔顶各组分重度

表10 进料各组分重度

表11 塔釜各组分重度

塔顶各组分质量流量百分比：

qDC2H4=0.928 qDC2H6=0.001 qDCH4=0.0042

1

qDC2H4

lDLDA



qDC2H6

LDC2H6



qDCH4

LDCH4

解得 γ

lD

=0.4575

塔底各组分质量流量百分比：

QwC2H4=0.00276 qwC2H6=0.9363 qwCH4=0.0712 解得γ

lWw

=0.4339

则精馏段液相重度L=LD*LF=0.427*0.429=445.5kg/m3 液相负荷 LS= 26.95m3/h

LL

动能参数



Vv



1/2

=0.2236取板间距Ht=0.4m 塔板上清液层高度为hl=0.07m

查史密斯关联图得C20=0.05

查《轻碳化合物》图4-1、4-2得表面张力

表12 混合液的表面张力

mD=0.9916×3.6+0.001×6.2=3.46

由式

C20200.2

=（）得C

C



=

C20

=0.0352 200.2()



塔顶最大空塔速度 Wmax=C

42840.632

=0.1136m/s

40.06

空塔气速W=0.7×W最大=0.7×0.1142=0.0795m/s 精馏段塔径D=

4Vs

=1.335m u

取精馏段塔径D=1.4m

精馏段实际空塔气WK=0.072m/s

相应的空塔动能因数为Fk=0.072×40.06=5.6

2）提馏段塔径

提馏段气象重度v‘=V/Vs=43。52 提馏段液相重度w=LFLW=430。69 提馏段液相负荷V'SSW*VSF=0。1121m3/s 则提馏段气相负荷：Ls’=RD+qF=38.12m/h 查史密斯关联图得C20=0.045

查《轻碳化合物》图4-1、4-2得表面张力 Ρc2h4=1.21 Pc2h6=3.59 Pc3h6=10.49 混合液的表面张力m=3.925

C



3

=

C20

=0.0325 200.2()



最大空塔速度: Wmax=C

42840.632

=0。0969

40.06

空塔气速：W=0.7×W最大=0。0678m/s 提馏段塔径D=

4Vs

=1.45; 取塔径1。4m u

馏段实际空塔气WK’=0.073m/s

第五节 塔内物件的工艺尺寸

1）、溢流程数的选择

根据塔径1.4米，液相负荷30～40m 3/h，查《有机化合物》表9-5可知选单流型即

可满足要求。采用工型浆液板，分块式塔盘。 2）、校核溢流强度

堰长： lW=0.7×D=0.7×1.4=0.98m。 精馏段校核：i=ls/lw=27.5m 3/h; 提馏段校核：I’=ls’/lw’=38.9 m 3/h; 3)、塔堰高的确定

Hl=hw+how

l

h——塔板上清液层高度; hww ——出口堰高度 how——堰上清液层高度

精馏段： how=0.03459 提留段： how’=0.037 4)降液管面积

AfWd

查《浮阀塔》表3-3知=0.143 =0.0878

DAT

塔板面积AT=

2

D=0.785×1.42=1.54㎡ 4

堰宽Wd=0.143×1.4=0.2m

溢流面积Af=0.878× AT=0.1385㎡

5）校核液体在降液管内停留时间

精馏段t=

Af*HT

L

=7.4s5s

提馏段t'=

Af*HT

L

'

=5.2s5s

降液管出口处的流体流速： 精馏段： Ud=Ls/Af=0.054m/s; 提馏段： Ud’=ls’/Af=0.77m/s 6） 降液管下端距塔盘的距离h：

h=

L

lwwol

wol降液管下端出口处的流速一般取0.07~0.25m/s 可取0.2m/s

26.95

=0.0382m〈hl=0.07m

0.98*0.2*3600

35.12

提馏段ho'==0.054〈hl=0.07m

0.98*0.2*3600

精馏段ho=

取距离为：h=0,05m 7）浮盘数

采用F-1重阀, 阀孔直径为39。

72.80.548

)=1.387m/s 40.632

72.80.548

)提馏段临界阀孔气速: uok’=(=1.326m/s 40.632

精馏段临界阀孔气速 ：uok=(

开孔率

u

×100%=5。2% u0

阀孔总面积： 精馏段： A'0=



4

提馏段: A'0=D2*=0.0847m2

4

D2*=0。08m2

精馏段阀数: N=

Vs

2

d0u04

Vs

'

=67个

提馏段阀数: N=

'

4

=70个

2

d0u0

精馏段与提馏段取相同的阀孔数：为68个。 8)塔盘的布置

安定区Wf=0.06m; 无效区Wc=0.05m 按照等边三角形叉排列 则中心距t=105mm.

第六节 流体力学验算

1）气体流过塔板的压降

正常操作，浮阀全开。

干板压力降:hp=hc+hl+h 全开前:hc=0.7

G00.1751

=0.000685米液柱 u0

A0l

u20v

全开后hc=5.34=0.046米水柱

2gl

hl=0.4hw+how=0.4×0.43+0.027=0.0442米水柱 克服表面张力压降h可忽略 hp=hl+ho=0.074米水柱

2) 液泛校核

逸流管内液成高度： Hd=hl+hp++hd+hv

ls

hd=0.153lh

w0

=0.042米液柱 

2

对hv可忽略不计，对浮阀塔可忽略不计

又因操作压力小于30大气压hv可以忽略，故溢流管内液层高度 Hd=hl+hp+hd=0.144米

取充气因子β=0.5，β（HT+hw）=0.5×(0.4+0.0374)=0.218>0.144 所以可以避免液泛。

3）雾沫夹夹带情况

vll

's

精馏段V负=Vs

367.39540.632

=0.033立方米/秒 *

360042840.632

提馏段V

'

负

=V

'v378.39541.75

=0.0346立方米/秒 *

'l'l360042741.75

Z=d-2Wd=1.4-2×0.2=1.0m

Aa=AT-2Af=1.54-2×0.135=1.27立方米

K取0.85

CF查《基本有机化学工程》图9-28可知CF=0.107 则精馏段:F1=

100V负136LsZ

KCFA

%=33.3

提馏段F1'=38.3%

所以产生的雾沫夹带量不超过0.1公斤液体/公斤蒸汽，符合要求。

第七节 安全操作范围和操作线

1）精馏段

（1）液相负荷上限:

取t=3秒 L上液相负荷下限:

HTAf

t

=

0.4*0.135

=0.985立方米/秒 3

因采用平直堰L下0.000854lw=0.000854×0.98=0.000837立方米/秒 气相负荷下限::

V下

0.00597N

v

=

0.00597*68

40.6

=0.0632立方米/秒

气相负荷上限——液泛线 A=

191000*v

=3.83

N2l

B=HT1.4hw=0.5×0.4+(0.5-1.4)×0.043=0.1685 C=

0.1530.153==99.57 22

lwh00.982*0.04

D=

1.248

=1.265 2/3

lw

2/3

所以液泛线为：3.83Vs20.168599.57L2Lss1.265

v雾沫夹带线为： lv

Vs136ZLsFKCFA 

9.88Vs133.3Ls7.15

用计算机绘出个操作线如图1。

操作弹性为：v上/v下=2。55

2）提馏段

液相负荷上限: 取t=3秒 L上液相负荷下限:

因采用平直堰L下0.000854lw=0。00837立方米/秒 气相负荷下限::

HTAf

t

=0。0185立方米/秒

V下

0.00597N

v

=

0.00597*60

41.75

=0.0615立方米/秒

气相负荷上限: 液泛线 A=

191000*v

=4.3 2

Nl

B=HT1.4hw=0.1685 C=

0.1530.153==99.56 222

lwh00.98*0.0508

D=

1.248

=1.265 2/3

lw

2/3

4.3Vs20.168599.56L2s1.26Ls

v

所以雾沫夹带线为lv



Vs136ZLsFKCFA 

得10.46Vs133Ls8.47 用计算机绘出个操作线如图2。

操作弹性为：v上/v下=2.76

图2: 提馏段操作线

第八节 附属设备的选择

1）全凝器的选择

选用冷凝介质为-35℃液氨

塔顶温度为-24℃，混合蒸汽的汽化热对全凝器进行热量恒算，以单位时间为基准并忽略热损失，所需传递的热量。

表12

Qc=VIVD-（LILD-DICD）， ∵V=L+D=（R+1）D，

所以：Qc=（R+1）D（IVD-ILD）=213761kj/h

2) 再沸器的选择

以再沸器为系统进行热量恒算，各成分的焓差 表13

QB=V/IVW+WILW-L/ILW+QL，

QL——为再沸器的热量损失，IVW——为再沸器中上升蒸汽的焓，ILW——为釜液的焓，提馏段底层板下降液的焓。

QB=V/IVW+WILW-L/ILW+QL=19396kj/h

3) 回流泵的选择

回流量L=RD=441 KMol/h， 所以体积流量：Vs=27 m3/h。 所以泵选择扬程为30m.

第九节 管径设计

1）塔顶蒸汽管

查表得蒸汽气速12~20立方米/秒 蒸汽量VD D2=

VD

393.966

0.113立方米/秒 3600

v4

取v=15m/s 则得D=0.0918m

取 Φ219×6的管。公称直径为Dg200。 2）回流管管径

因为回流泵所取wR2m/s

dR

4ls4l

=0。0756 

3600wRvlwR

取dR=Φ108×4 公称直径为Dg100。 3）进料管管径

料液由高位大槽进入塔内WF取0。6m/s

dF

4F

=0。075

3600wFvl

取 Φ108×6的管。公称直径为Dg100。 4）塔釜出料管

dW

4W

=0。0216

3600wWvl

取 Φ76×4的管。公称直径为Dg65。 5）进再沸器管

d

4F

=0。122m Vsvl

取 Φ219×6的管。公称直径为Dg200。

6） 再沸器蒸汽入塔器 取速度为5m/s

d

4*5.4156

=0.055m

58*3.14*428

取 Φ194×6的管。公称直径为Dg175。

第二部分 强度及稳定性计算

第一节 圆筒和封头的厚度和强度计算

圆筒和封头材料选用16MnDR,许用应力[б]=163mpa. 圆筒计算厚度:

б=PcDi/（2[б]tФ-Pc）

其中： Pc——计算压力， Pc=1.1P=1.3mpa； Ф——焊接接头系数， 取1；

按GB709-65, 钢板厚度负偏差C1=1mm，腐蚀余量取1mm；

б=2.3×1.4/2×16381-0.3=9.95mm

取钢板名义厚度бn=12mm. 封头厚度计算: 标准椭圆封头K=1;

б= PcDi/（2[б]Ф-0.5Pc）=9.91mm 取钢板名义厚度бn=12mm. 实验压力校合：

（1） 液压实验校合：

t

Pt=1.25P[б]/[ бt]=1.25×163=203

第二节 载荷的计算

1) 质量载荷的计算:

H=53×0.4+4×0.3+1.6+2+1.5+3=30.1m 塔壳和裙座的质量

m01=π/4[（1.4+0.015×2）2-1.42]×（27.8+3）×7.85×103 =π/4（1.4302-1.42）×30.8×7.85×103=15721㎏。 人孔、法兰、接管等附件质量: ma=0.25 m01=2873㎏。 内构件质量

m02=π/4×1.42×55×75=6235㎏。（单位面积重75㎏） 保温层质量

m03=π/4[(1.4+0.012×2+0.2) 2-(1.4+0.012×2)2]×27×45=582㎏.

平台、扶梯质量：

m04=40×30+π/4[(1.63+0.05×2+1.2×2) 2-(1.63+0.05×2)2]×150×6×1/2 =1200+49681.1=3924㎏.

操作时塔内物料质量m05=π/4×1.42×0.07×450×55=3670㎏.

2

充水质量mw=π/4×1.4×27×1000=38484㎏.

塔器的操作质量m0= m01+m02+m03+m04+ m05+ma= 32765㎏， 塔内的最大操作质量mmax= m01+m02+m03+m04 +ma+ mw=47592㎏ 塔内的最小操作质量mmin= m01+0.2m02+m03+m04 +ma=24107㎏

将塔沿高度分成5段，每段高为6m，其质量列入表14中。 图3

2) 塔的自振周期

T1=90.33H（m0H/EδeDi3）1/2×10-3 , 其中δe=δn-c=15-0.25-1.2=13.55mm

T1=90.33×30000（36789.5×30000/2×105×13.55×14003）1/2×10-3

=1.4s

3）地震载荷及地震弯矩的计算

0000ME1.25ME4.775*10^8Nmm 1

I-I截面地震弯矩：

ME

11

1.25Fk1hkh4.8108Nmm

k1

5

Ⅱ-Ⅱ截面地震弯矩：

M

22

E

1.25Fk1hkj4.1108Nmm

k1

5

4）风载荷和风弯矩计算：

将塔沿高分成6段（如图4所示） 图4

表16

0-0截面风弯矩:

l1l

M0Pi1P2l2Nmm=1.045065×10^9N×mm

2

2

Ⅰ—Ⅰ截面风弯矩：

Mw

11

0.8P1

ll11000l

P2l110002P3l11000l339.87282Nmm222

II-II截面风弯距

L2L3L13000

ME=0.4P1（ ）+P2（L1-3000+ ）+P3（L1-3000+L2+）=8.8817×

222

10^8Nmm

5) 最大弯矩

塔底部见面0—0处：

M

00max

00

MwMe00 取其中较大值 00eMz0.25MwM

00

Mw1.045109Nmm 0000ME0.25Mw5.0108Nmm

Ⅰ—Ⅰ截面:

1111MmaxMw1.2162109Nmm

2222II-II截面MmaxMw8.882108Nmm

第三节 应力校核

1) 圆筒应力校核：

2) 裙座壳轴向应力校核：

a、0—0截面

裙座壳为圆筒形材料为16MnDR 计算系数：A

0.094

0.00188 查得B=160Mpa Ri

e

MmaxZsb

00



mgFv11

Asb

该塔由风弯矩控制所以Fv00不计

底部截面积：AsbDiss61456mm2

Di2ss底部截面系数：Zsb2.198*10^7mm3

4cos

KB1.2160192

取195.6Mpa t

Ks1.2163195.6MPa

00Mmaxmg

55195.6MPa ZsbAsb

KB1.2160192

取19.56Mpa 

0.9K11.2163195.6s0.3MwZsb

00



mmaxg

22.2192MPa Asb

b、管线因出口Ⅰ—Ⅰ截面处的组合应力：

h1000mm es10.75mm,bm=450mm,m14mm,lm=110mm,Dim=1398mm

11m032650kg

Asm=∏Dimes=54232mm^2 截面系数：zsm=1.675×10^7㎜3

1

m1kB0

M

应力校核： max

Zsm192

即： 263

195.6

11

第四节 基础环结构设计及校核

1） 基础环

基础环外径：D0bDis160~！40014003001700mm 基础环内径：DibDis160~40014003001100mm

4

D0bDib1700411004

Zb3.97108mm3

32D0b321700

4

Ab



D4

20b2Dib





1700

4

2

110021.32106mm2



bmax

1.216210938902.49.812.8735MPa 86

4.05101.3210

b170014282.32 l85216

查表得：Mx0.212bmaxb211632Nmm

My0.061bmaxl26793Nmm

Mx>My

所以：Ms=Mx=11632Nmm 基础环的厚度：

b

6Ms

b



611632

22.3mm 取b30mm

148

2）地脚螺栓计算：

地脚螺栓承受的最大拉应力：

00MwMemming



ZAb

（最大值） b=00b

00

ME0.25MwMemgF00

0vZb

得b=2。45Mpa. 地脚螺栓螺纹小径计算：

d1

BAb

c232.5mm



nbt

4

腐蚀余粮取3mm. 材料Q235A. 选用螺栓M36×4

则地脚螺栓M36×4，共16个

3）肋板计算：

L2=138mm; G=14mm; n1=2; 一个地脚螺栓所承受的最大拉力：

F

BAb

n

2.02105N

0.5lk

37.1 l

肋板细长比：

2E

153.3 临界细长比：c

0.6G故c

10.4



2

G肋板许用压应力：c



cv

2

其中：v1.52



3

.539 c



110.42

则C

10.4

37.12

Gc

v



153.3

1401.539

88.4MPa肋板压应力：

G

Fn52.388.4

Gl2

所以：Gc

4）盖板计算：

盖板为有垫板的环形盖板

3Fl3

Z

4ll2l2

23c44d2z

式中：l17001424

2

2

138； l4110； l3110；z22 ; 最大应力：Z91.2140MPa 所以：ZZ

盖板厚度16mm，垫板厚度22mm 裙座与塔壳对接连接焊逢校核：

4MmaxD2m

0gD0.6[TW] ites

ites

即 36.3

c16 

第五节 补强计算

1）塔顶蒸汽出孔

接管的材料为20#钢，壳体材料为16MnDR fr强度削弱系数：

t

fnr



137

r

163

0.84 （1）所削弱面积：Ad2et1fr

其中为开孔出计算厚度，封头为标准椭圆形封头PCKiDi

2t

0.5P=10.5 c

接管的有效厚度: et=6-1.5=4.5mm

开口直径：d=di+2c=209

所以：A=（100+12）×11.3+2×11.3×4.5（1-0.84）=12181.9㎜2 （2）有效补强范围 a、有效宽度

B=2d418d2 n2nt245取大值B=418mm b、有效高度

dnt=6=25.9mm

 200外侧有效高度：h

1= n =53.4 取小h1=35.4m 内侧有效高度:hd2= n

取小h0= 0mm

0

(3)有效补强面积

封头多余金属面积

A1=（B-d）(δe-δ)-2δet（δe-δ）（1-f2r）=103mm 接管的计算厚度PCDi

t

2t

P=1.85mm2 c

A2=2h1(δet-δt)fr+2h2（δet-c）fr=187mm2 接管区焊缝面积:A3=2×0.5×6×6=36㎜2

mm

有效补强面积:Ae=A1+A2+A3=326㎜2 另外所须补强面积:A4=A-Ae=1885㎜2 根据公称直径Dg200,采用补强圈补强.

2) 人孔的补强计算

人孔筒节的材料为16MnDR，壳体材料为16MnDR fr强度削弱系数:

ntfr

r



163

1 163

（1）所削弱面积：Ad2et1fr 其中为开孔出计算厚度，筒壳的厚度接管的有效厚度: et=12-1=11mm; 开口直径：d=di+2c=458 所以：A=184㎜2 （2）有效补强范围 a、有效宽度

2Pc

t

PCDi

=9.95mm

2d916B= 取大值B=916mm

d22494nntb、有效高度

dnt=74.1mm

 200



外侧有效高度：h1= =53.4 取小h1=53.4mm n dn内侧有效高度:h2= 

0

取小h0= 0mm

(3)有效补强面积

筒体多余金属面积:

A1=（B-d）(δe-δ)-2δet（δe-δ）（1-fr）=232mm2 接管的计算厚度t

PCDi

=3.57mm t

2Pc

接管多余金属面积：

A2=2h1(δet-δt)fr+2h2（δet-c）fr=1296mm2

接管区焊缝面积:A3=2×0.5×6×6=36㎜2 有效补强面积:Ae=A1+A2+A3=2284㎜2

另外所须补强面积:A4=A-Ae=4572-2284=2288㎜2 根据公称直径Dg450,采用补强圈补强.

3) 进料管接管补强

筒节的材料为16MnDR，壳体材料为16MnDR fr强度削弱系数:

ntfr

r



163

1 163

（1）所削弱面积：Ad2et1fr 其中为开孔出计算厚度，筒壳的厚度接管的有效厚度: et=4-1=3mm; 开口直径：d=di+2c=184mm 所以：A=184㎜2 （2）有效补强范围 a、有效宽度

2Pc

t

PCDi

=9.95mm

2d368B= 取大值B=368mm

d22225nntb、有效高度

dnt=33.2mm

 200



外侧有效高度：h1= =53.4 取小h1=33.2mm n dn内侧有效高度:h2= 

0

取小h0= 0mm

(3)有效补强面积

筒体多余金属面积:

A1=（B-d）(δe-δ)-2δet（δe-δ）（1-fr）=94mm2 接管的计算厚度t

PCDi

=1.72mm t

2Pc

接管多余金属面积：

A2=2h1(δet-δt)fr+2h2（δet-c）fr=164mm2

接管区焊缝面积:A3=2×0.5×6×6=36㎜2

有效补强面积:Ae=A1+A2+A3=302㎜2

另外所须补强面积:A4=A-Ae=1635㎜2

根据公称直径Dg450,采用补强圈补强.

第三部分 吊柱的强度计算

1）设计载荷

设计载荷：W=2.2W0

式中W0——起吊载荷 N0,取100kg;

W=2200N;

吊柱材料为20#无缝钢管，其他各件采用Q235A, 吊柱与塔连接的衬板应与塔本体材

料相同。

2) 曲杆部分的校核

吊柱的受力图如下：

图

5

吊柱受载荷情况如上图所示 AD段可按受弯矩及轴向力作用的曲杆计算，其中轴向压

缩应力:

Wc=0.82Mpa A

弯矩发生的最大值发生在A点，在A点的内侧受压缩，压应力

d1M11d1ARKR2=0.19MPa mC

在A点外侧手到拉伸应力

d1M1=0.187MPa MT1ARKR12

WC是压应力，而且其值大于WT. dd2断换算系数：k1 =2.7 16R

最大应力: 22maxmcc0.190.811Mpa

2）柱的校核

吊柱的AB段可视为B端固定，A端受自由载荷的长柱。

柱中的应 (Pa)计算式为：

dW1

2sec 最大应力出现于1处，展开secθ并舍去高次相得 2Ari

max2WWd1s2 10.52AA2ri

21WL2其中 η——吊柱断面中心至断面任一小单元的距离cm， EAi

ri——吊柱断面的惯性半径 E——弹性模量

L——AB段的长度 L=3400-900-1000=1500mm

122r1r2=17.4 对于圆管ri=4

1WL2=0.773×10^(-6) EAi

2

max2WWd1s10.52=1.06 MPa 2AA2ri

在此温度下20#钢的许用应力[]t=130 Mpa

所以吊柱校核合格

参考文献

1. 姚玉英等.化工原理，下册.天津：天津大学出版社，1999.8

2. 《化工设备设计手册》编写组.金属设备，上册：上海人民出版社，1975.7

3. 《化工设备设计手册》编写组.金属设备，下册：上海人民出版社，1975.7

4. 《化工设备设计手册》编写组.材料与零部件，（上）：上海人民出版社，1973.8

5. 化学工业部设计技术中心站，广西大学.塔设备设计：上海科技技术出版社，1985.

6. 石油化工技术参考资料.轻碳轻化合物数据手册，第一册，燃料部第五化工设计院，1971

7. 石油化工技术参考资料.轻碳轻化合物数据手册，第二册，燃料部第五化工设计院，1971

8. 《基础化学工程》编写组.基础化学工程，上海，上海科技技术出版社，1979.12

9. 北京化工研究院“板式塔”专题组.浮阀塔，北京：燃料化学工业出版社，1970.12.15

10.天津大学基本有机化工教研室主编.基本有机化学工程，天津：人民教育出版社

11.化工设备指导性技术文件TCED.化工设备图样技术要求，TCED41002-2000：全国化工设备技

中心站，2001.11

12.GB150-1998 钢制压力容器

13.HG20580-1998钢制化工容器设计基础.国家石油和化学工业局

14.HG20581-1998钢制化工容器材料选用规定. 国家石油和化学工业局

15.GH20582-1998钢制化工容器强度计算规定. 国家石油和化学工业局

16.HG20583-1998钢制化工容器结构设计规定. 国家石油和化学工业局

17.HG20584-1998钢制化工容器制造技术规定. 国家石油和化学工业局

18.HG20585-1998钢制低温压力容器技术规定. 国家石油和化学工业局

19.HG20652-1998塔器设计技术规定

20.HG21514-1998碳素钢、低合金钢制人、人孔和手孔：化学工业部

21.JB4710-92刚制塔式容器，中华人民共和国机械电子工业部, 中华人民共和国化学

工业部、中华人民共和国劳动部、中国石油化工总公司 发布

附录 英文翻译

packed tower

In comparison with tray towers, packed towers are suited to small diameters, whenever low pressure is desirable, whenever low holdup is necessary, and whenever plastic or ceramic construction is required. applications unfavorable to packings are large diameter towers, especially those with low liquid and high vapor rates, because of problems with liquid distribution ,and whenever high turndown is required. in large towers, random packing may cost more than twice as much as sieve or valve trays.

Depth of packing without intermediate supports is limited by its deformability; metal construction is limited to depths of 20~25ft,and plastic to 10~15ft.intermediate supports and liquid redistributors are supplied for deeper beds and at sidestream withdrawal or feed points. liquid redistributors usually are needed every 2.5~3tower diameters for Raschigrings and every 5~10 diameters for Pall rings, but at least every 10 ft.

The various kinds of internals of packed towers are represented in Fig.4.2 whose individual parts may be described one-one;

(a) is an example column showing the inlet and outlet connection and some of the kinds of internals in place,

(b) is a combination packing support and redistributors that can also serve ad a sump for withdrawal of the liquid from the tower.

(c)is an example of a perforated pipe distributor which is available in a variety of shapes, and is the most efficient type over a wide range of liquid rates; in large towers and where distribution is especially critical, they are fitted with nozzles instead of perforations.

(d) Is a redistribution device, the rosette, that provides adequate redistribution in small diameter towers; it diverts the liquid away from the wall towards which tends to go.

(e) s a hold-down plate to keep low density packings in place and to prevent fragile packings such as those made of carbon ,for instance ,from disintegerating because of mechanical disturbances at the top of the bed.

The broad classes of packings for vapor-liquid contacting are either random or structured. The former are small, hollow structures with large surface per unit volume that are loaded at random into the vessel. Structured packings may be layers of large rings or grids ,but are most commenly made of expanded metal or woven wire screen that are stacked in layer or spiral windings .

There are several kinds of packings. The first of the widely used random packings were Racing rings which are hollow cylinders of ceramics plastics ,or metal. They were an economical replacement for the crushed rock rock often used then . Because of their simplicity and their early introduction ,Racing rings have been investigated thoroughly and many date of their performance have been obtained which are still

useful ,for example ,in defining the lower limits of mass transfer efficiency that can be realized with improved packings .

Structured packings are employed particularfly in vacuum service where pressure drops must be kept low .Because of their open structure and large specific surface ,their mass transfer efficiency is high when proper distribution of liquid over the cross section can be maintained.

填料塔

与板式塔比较起来, 填料塔适合到小的直径, 当需要低压力和低的压力时,而且每当塑料或陶瓷的结构需要时.应用不易是大的直径塔, 尤其有低的液体那些而且高的蒸汽速度, 因为液体的分配不均，而且每当高的分离要求时是很难达到的. 在大的塔中，随意的填料排列可能花费两倍于筛板塔或浮阀塔的费用消耗。

没有直接支持的填料深度受到他们形状的限制，金属结构的深度被限制在 20~25 英尺，塑料被限制在10~15英尺,直接支持和液体的再分布被用来使用在深的床上。对于拉西环，液体的重新分布需要大约2.5~3个塔的直径。而对于包耳环大约每5~10个直径需设置一个液体再分布器。但是最小的距离不少于20英尺。

板式塔内部的各中结构在图4.2中列了出来。塔的各个部分逐一讲述。 (a) 是进出口的连接和一些内部空间。

(b) 是填料支撑结构，和从塔上回收液体用的再分布器。

(c) 图示为一种穿孔分布器，这种分布器样式很多，这只是其中之一。它的处理范围叫宽，且效率较高。

(d) 图为一种再分配器，玫瑰花型保证了主够的再分配，它改变了液体的流动方向。

(e)平板用于固定填料，防止发生震动而损害。

用来做汽液接触的填料要么是随机排列要么是有结构的排列。

前者是采用小的形状，中空的结构能使单位体积获得较大的气液接触面积。结构填料通常是大的环状一成的形式排列。但大多数是以金属作成的。

大约有好几种填料形式。最普遍用的填料是拉西环，通常是由瓷器，金属，塑料做成的主型，有时用碎石块代替能获得很好的经济效益，由于它们简单易用，再早期得到了广泛的应用。对于拉西环已经进行了很深入的研究，它的很多性能数据对其它类型的塔有广泛的指导作用。例如，在确定塔的传质效率下限时可应用的数据。从而改变填料。规则填料被用再真空设备，压力必须保持较低。因为他们有开放的结构和大的表面。当有合适的液体分布器排列，它们的效率会有很大的提高。

致 谢

时光飞逝，半年的毕业设计时间马上就要过去了。在这几个月的时间里，在王老师和张老师的悉心指导下，我顺利的完成了自己大学的最后一个环节—毕业设计论文。张老师对待工作认真负责，对学生和善但不失严格。和我们在一起如同朋友，在学习方面给予我们无私的帮助，当我们遇到困难时能及时的给予我们信心与勇气。王老师那种勇于探索的科学精神，乐观进取的工作态度，无私奉贤的师长作风，无论是现在还是将来都是我学习的榜样。

在这半年的时间里，通过自己完成了乙烯精馏塔的设计，我学到了许多东西。分析解决问题的能力，总结归纳的能力，撰写论文的能力都有所提高。所有的这些进步都是与老师的严格要求和悉心指导分不开的。在此，我要对尊敬的导师以及所有帮助我的同学们表示深深的谢意

最后，感谢在百忙之中评阅本论文的各位老师，敬请批评、指教。由于我对本实验的研究时间有限,对某些细节问题理解得还不是很透彻,实验中不可避免的会出现一些问题,所写论文尚有不足之处,希望诸位老师在评审时给予批评指正。

谢谢！