浮阀塔的机械设计.docx
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浮阀塔的机械设计
浮阀塔机械设计
北京理工大学珠海学院
课程设计任务书
2012～2013学年第2学期
学生姓名：
专业班级：
指导教师：
工作部门：
一、课程设计题目
浮阀塔的机械设计
二、课程设计内容
1．塔设备的结构设计包括：
塔盘结构，塔底、塔顶空间，人孔数量及位置，仪表接管选择、工艺接管管径计算等。
2.塔体及封头壁厚计算及其强度、稳定性校核
（1）根据设计压力初定壁厚；
（2）计算危险截面的重量载荷、风载荷、地震载荷及偏心载荷；
（3）计算危险截面的由各种载荷作用下的轴向应力；
（4）计算危险截面的组合轴向拉应力和组合轴向压应力，并进行强度和稳定性校核。
3.筒体和裙座水压试验应力校核
4.裙座结构设计及强度校核
包括：
裙座体、基础环、地脚螺栓
5.编写设计说明书一份
6.手工绘制2号装配图一张，AutoCAD绘3号图一张（换热器）。
三、设计条件
1.设备类型：
自支承式塔设备（塔顶无偏心载荷）；
2.设置地区环境：
基本风压：
qo=400N/㎡;
设计地震烈度：
7度（或8度）；场地土：
Ⅱ类。
地震加速度0.15g（或者0.3g），地震系数根据自己的需要任取一组；
（1）塔体内径Di=2200mm，塔高近似取H=45000mm；
（2）计算压力Pc=1.0MPa（每组中各人的计算压力根据安排表中数据）,设计温度
t=250℃；
（3）塔体装有N=75层浮阀塔盘，每块塔盘上存留介质层高度为hw=100mm，介质密
度为
3
ρ1=800kg/m；
（4）沿塔高每5m左右开设一个人孔，人数为8个，相应在人孔处安装半圆形平台8-10个，平台宽度为B=900mm，高度为1000mm。
（5）塔外保温层厚度为δs=120mm，保温材料密度为ρ2=300kg/m3；
（6）塔体与裙座间悬挂一台再沸器，其操作质量为me=4000kg,偏心距e=2000mm；
（7）塔体与封头材料在低合金高强度刚中间选用，并查出其参数。
（8）裙座统一采用Q235-A
（9）塔体与裙座对接焊接，塔体焊接接头系数Φ=0.85；
（10）塔体与封头厚度附加量C=2mm，裙座厚度附加量C=2mm；（11）参考图为书中图8-25，尺寸及数据根据自己组的具体情况设计、标注。
四、进度安排
制图地点：
暂定HE402，HE404
时间安排：
从第6周（2013年4月12日）至第9周（2013年5月13日）
序号
内容
主讲人
时间
听课班级
1
化工设备设计的基本知识
唐小勇
4月22日
周一、三下午;周五上午
10化工1，2
4月24日
10化工1，2
4月26日
10化工1，2
2
浮阀塔的设计计算
唐小勇
4月27日-
4月28日
上午：
8：
30-11：
30下午14：
00-17：
30
10化工1，2
3
浮阀塔的结构设计
唐小勇
5月4日
上午：
8：
30-11：
30下午14：
00-17：
30
10化工1，2
5月5日
10化工1，2
4
浮阀塔的机械设计制图
唐小勇
5月6日
上午：
8：
30-11：
30下午14：
00-17：
30
10化工1，2
5月7日
10化工1，2
5月8日
10化工1，2
5
设计说明书的撰写
唐小勇
4月22日-5月10日
上午：
8：
30-11：
30
10化工1，2
10化工1，2
10化工1，2
6
答辩
唐小勇
5月13日
上午：
8：
30
10化工1
下午14：
30
10化工2
五、基本要求
1.学生要按照任务书要求，独立完成塔设备的机械设计；
2.设计计算书一律采用电子版（电脑打印），2号图纸一律采用手工绘制；
3.各班长负责组织借用绘图仪器、图板、丁字尺；学生自备图纸、橡皮与铅笔；
4.画图结束后，将图纸按照统一要求折叠，同设计说明书一同在答辩那天的早上8：
30前，由班长负责统一交到HA202。
5.根据设计说明书、图纸、平时表现及答辩综合评分。
六、说明书的内容要求
1.符号说明
2.前言
（1）设计条件；
（2）设计依据；
（3）设备结构形式概述。
3.材料选择
（1）选择材料的原则；
（2）确定各零、部件的材质；
（3）确定焊接材料。
4.绘制结构草图
（1）板式塔装配图
（2）确定裙座、接管、人孔、控制点接口及附件、内部主要零部件的轴向及环向位置，以单线图表示；
（3）标注形位尺寸。
（4）写出图纸上的技术要求、技术特性表、接管表、标题明细表等
5.塔体及裙座壁厚设计
（1）筒体、封头及裙座壁厚设计；
（2）焊接接头设计；
（3）压力试验验算；
6.标准化零、部件选择及补强计算：
（1）接管及法兰选择：
根据结构草图统一编制表格。
内容包括：
代号，PN,DN,法兰
密封面形式，法兰标记，用途）。
补强计算。
（2）人孔选择：
PN,DN,标记或代号。
补强计算。
（3）其它标准件选择。
7.结束语：
对自己所做的设计进行小结与评价，经验与收获。
8.主要参考资料。
【格式要求】：
1.计算单位一律采用国际单位；2.计算过程及说明应清楚；
3.所有标准件均要写明标记或代号；4.设计说明书目录要有序号、内容、页码；
5.设计说明书中与装配图中的数据一致。
如果装配图中有修改，在说明书中要注明变更；
6.书写工整，字迹清晰，层次分明；7.设计说明书要有封面和封底，均采用A4纸，装订成册。
七、主要参考资料
1.《化工设备机械基础课程设计指导书》.化学工业出版.2009.1
2.《化工设备机械基础》第五版刁与玮王立业编著2010.6；
3.《化工单元过程与设备设计》匡国柱史启才主编；
4.《化工制图》华东化工学院制图教研室编人民教育出版社1980；
5.《化工设备机械基础》参考资料；
6.《钢制压力容器》GB150-2011；
7.《钢制塔式容器》JB4710-1992；
8.GB151-1999《管壳式换热器》1999年；
9.《压力容器安全技术监察规程》国家质量技术监督局1999年。
教研室主任签名：
浮阀塔机械设计
摘要
通过查阅资料、分析设计条件，
本课题研究的目的主要是针对给定的浮阀塔的设计要求，根据一些基本计算来确定浮阀塔的结构。
通过分析浮阀塔的设计条件，确定设计步骤。
对浮阀塔的塔体、内件、支座及附件等部件的材料选择、壁厚计算和强度校核。
绘制符合设计要求的浮阀塔的图纸，给出相关的技术要求.
在浮阀塔的结构设计过程中，要参考相关的标准进行设计，比如GB-150、GB151等，使
设计能够符合相关标准。
同时要使设计的结构满足生产的需要，达到安全生产的要求。
关键词：
浮阀塔；塔盘；设计；强度
ABSTRACT
Themainpurposeofthisresearchprojectisgiventhedesignofthevalvetowerrequirements,dataaccess,andanalysisanddesigncriteria,basedonsomebasiccalculationstodeterminethestructureofthevalvetower.
Byanalyzingtheconditionsofthedesignofthevalvetowertodeterminethedesignsteps.Partsofthevalvetower,towerbody,internalparts,bearingsandaccessories,materialselection,wallthicknesscalculationandstrengthcheck.Drawthedrawingsofthevalvetowermeetthedesignrequirements,giventhetechnicalrequirements.
Inthestructureofthedesignprocessofthevalvetower,torefertotherelevantstandarddesign,suchasGB-150,GB151,andsoon,designedtomeettherelevantstandards.Makethedesignofthestructuretomeettheproductionneedstomeettherequirementsofproductionsafety.
KeyValvetower：
TrayDesignStrength
摘要2
ABSTRAC.T3
1绪论6
1.1课程设计的目的6
1.2课程设计的要求6
1.3课程设计的步骤6
1.3.1准备阶段6
1.3.2机械设备阶段7
1.3.3设计计算说明书7
1.3.4课程设计答辩7
1.4国内外塔板的发展7
1.5塔板的分类及比较8
1.6浮阀塔的介绍9
1.7新型浮阀塔板12
1.7.1V-V浮阀塔板12
1.7.2JF复合浮阀塔板12
1.7.3To浮阀塔板与F1浮阀塔板的性能对比13
2材料选择与设计参数15
2.1概述15
2.2塔体材料选择15
2.3裙座材料的选择15
2.4设计参数15
2.5已知设计条件16
3塔体的机械设计17
3.1按计算压力计算塔体和封头厚度17
3.1.1塔体厚度计算17
3.1.218
3.2塔设备质量载荷计算18
3.2.1筒体、圆筒、封头、裙座的质量19
3.2.2塔内构件的质量19
3.2.3保温层的质量20
3.2.4平台、扶梯的质量20
3.2.5操作时物料的质量21
3.2.6附件的质量21
3.2.7充水质量mw.21
3.2.8偏心质量22
3.2.9操作质量22
3.2.8各种质量载荷汇总22
3.3风载荷与风弯矩计算23
3.3.1风载荷计算23
3.3.2风弯矩的计算26
3.4地震弯矩的计算26
3.4.1地震载荷的计算26
3.4.2地震弯矩的计算27
3.5偏心弯矩的计算29
3.6各种载荷引起的轴向应力30
3.6.1计算压力引起的轴向应力30
3.6.2操作质量引起的轴向应力30
3.6.3最大弯矩引起的轴向应力31
3.7塔体和裙座危险截面强度与稳定性校核31
3.8塔体水压试验和吊装时的应力校核32
3.9基础环设计34
3.9.1基础环尺寸34
3.9.2基础环的动力校核35
3.9.3基础环的厚度35
3.10地脚螺栓设计36
3.10.1地脚螺栓的最大拉应力36
3.10.2地脚螺栓的螺纹小径36
符号说明37
参考文献40
1绪论
1.1课程设计的目的
（1）培养学生把所学《化工设备机械基础》及相关课程的理论知识，在课程设计中综合的加运用，把化工工艺条件与化工设备设计有机地结合起来，巩固和强化有关机械课程的基本理论和基本知识。
（2）培养学生对化工工程设计的基本技能以及独立分析问题、解决问题的能力树立正确设计思想，掌握是化工单元设备设计的基本方法和步骤，为今后设计化工及机械打下一定的基础。
（3）培养学生熟悉、查阅并综合运用各种有关的设计手册、规范、标准、图册等设计技术资料。
1.2课程设计的要求
1）树立正确的设计思想。
2）具有积极主动的学习态度和进取精神。
3）学会正确的使用和规范，是设计有法可依、有章可循
4）学会正确的设计方法，统筹兼顾，抓住主要矛盾。
1.3课程设计的步骤
1.3.1准备阶段
（1）设计前应预先准备好设计资料、手册、图册、计算和绘图工具、图纸及报告纸等；
（2）认真研究设计任务书，分析设计题目的原始数据和工业条件，明确设计要求和设计内容；
（3）设计前应认真复习有关教科书、熟悉有关资料和设计步骤；
（4）有条件应结合现场参观，熟悉典型设备的结构，比较其优点，以便择出较适当的结构为己用。
1.3.2机械设备阶段
（1）全面考虑按压力大小、温度高低和腐蚀性大小等因素来选材。
（2）选用零部件。
（3）计算外载荷，常用列表法、分相统计的方法来进行。
（4）强度、刚度、稳定性设计和校核计算。
（5）传动设备的选型、计算。
（6）绘制设备总装图。
（7）绘制零部件图。
（8）提出技术要求。
1.3.3设计计算说明书
（1）目录；
（2）设计任务书；
（3）设计方案的分析和拟定；
（4）各部分尺寸的确定和设计计算；
（5）设计小结；
（6）参考资料。
1.3.4课程设计答辩
1.4国内外塔板的发展
国外近30年来,塔板是按泡罩、筛孔和浮阀这3种基本塔类而发展的,一些新开发的塔板多数也是这3种塔板的改进型,均具有气相分散的特点。
到80年代,节能和满足产品高纯度要求已成为主要研究目标之一。
因此,相继出现了罩型
挡板筛孔塔板和蒸汽对股流蒸馏塔板。
80年代到90年代国外塔器发展的总要求是节能、高效和优质。
我国自60年代起加快了消化吸收步伐,应用了S形塔板、舌型塔板、浮阀塔板和筛孔塔板,并在此基础上紧跟国外发展动向,先后自行开发了浮喷塔板、斜孔塔板、浮舌塔板、旋流塔板和T排条阀塔板等。
同时,还引进了导向筛板、MD筛板、网孔塔板、新型垂直筛板、角钢塔板和锥心浮阀等。
近年来,我国塔器技术有了很大提高,新型塔板的试验引进工作扩展十分活跃。
在借鉴国外技术的基础上,开发出了一批新型塔板。
如华东化工学院开发的导向浮阀塔板、郑州工学院开发的高效吸收喷旋塔、上海科技大学研制的网角塔板及石油大学发明的HTV（Half2Tube2ValveTray）船型浮阀塔板等都各有创新,并且大都取得了较好
的效益。
目前就工业应用而言,仍以筛板和浮阀塔为主。
这两种塔板的改进型,工业应用也较成功。
如MD塔板和在其基础上改进的DJ型塔板。
DJ塔板具有多根悬挂式降液管,相邻两板间的降液管互成90度排列。
这种塔板的特点是板间距小、板压降小、通量大、操作稳定、气液分布好且具有再分布能力,尤其适用于处理高液气比操作和加压操作的气液传质过程。
主要用于脱除CO2的加压水洗和碳丙脱碳等过程。
从另一方面讲,新型塔板的应用相对较少。
在国内,对新型垂直筛板的研究较多一些,现在已有不少成功应用的实例,且收到了较好的效果。
人们期待着结构简单、气液接触好、通量大和效率高的新型塔板出现。
1.5塔板的分类及比较
塔设备是炼油和化工生产的核心设备之一，还广泛应用于化肥、制药、环保等行业的物质分离。
按塔设备按塔内件是填料还是塔板，可分为填料塔和板式塔。
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。
它们有各自的适用范围：
（一）、板式塔适用于：
1、塔径较大；
2、所需传质单元数或理论板数较多；
3、热量需从塔内移除；
4、适于较小液量；
5、适于处理有悬浮物的液体；
6、板式塔便于侧线采出。
（二）、填料塔适用于：
1、处理有腐蚀性的物料；
2、填料塔压力降较小，适用于真空蒸馏；
3、适用于间歇蒸馏或热敏性物料的蒸馏；
4、适用于处理易发泡的液体。
根据上述比对，可知：
在某些场合下,填料塔有压力降小的突出优点，但有些填料的造价较高，且对初始分布敏感,在高压下的分离效率和通量比在常、减压下的低得多;而板式塔结构较为简单，易于放大,造价较低,对于常压和加压物系，特别是大塔径、多侧线气液传质设备,板式塔有较大的优势,且在操作与设计中已具备了较成熟的经验。
因此,对板式塔的开发研究在塔器技术中占有举足轻重的作用。
1.6浮阀塔的介绍
浮阀塔是20世纪50年代开发的一种新塔型，其特点是在筛板塔基础上，在每个筛孔除安装一个可上下移动的阀片。
当筛孔气速高时，阀片被顶起上升，空速低时，阀片因自身重而下降。
阀片升降位置随气流量大小自动调节，从而使进入夜层的气速基本稳定。
又因气体在阀片下侧水平方向进入液层，既减少液沫夹带量，又延长气液接触时间，故收到很好的传质效果。
浮阀塔是板式塔中的一种，用于气液传质过程中。
浮阀的阀片可以浮动，随着气体负荷的变化而调节其开启度，因此，浮阀塔的操作弹性大，特别是在低负荷时，仍能保持正常操作。
浮阀塔由于气液接触状态良好，雾沫夹带量小（因气体水平吹出之故），塔板效率较高，生产能力较大。
塔结构简单，制造费用便宜，并能适应常用的物料状况，是化工、炼油行业中使用最广泛的塔型之一。
在分离稳定同位素时采用在克服泡罩塔缺陷的基础上发展起鼓泡式接触装置。
浮阀塔有活动泡罩、圆盘浮阀、重盘浮阀和条形浮阀四种形式。
浮阀主要有V型和T型两种，特点是：
生产能力比泡罩塔约大20％～40％；气体两个极限负荷比为5～6，操作弹性大；板效率比泡罩塔高10％～15％；雾沫夹带少，液面梯度小；结构难于泡罩塔与筛板塔之间；对物料的适应性较好等，通量大、放大效应小，常用于初浓段的重水生产过程。
阀塔盘是在塔盘板上开许多圆孔，每一个孔上装一个带三条腿可上下浮动的阀。
浮阀是保证气液接触的元件，浮阀的形式主要有F-1型、V-4型、A型和十字架型等，最常用的是F-1型。
F-1型浮阀有轻重两种，轻阀厚1.5mm、重25g，阀轻惯性小，振动频率高，关阀时滞后严重，在低气速下有严重漏液，宜用在处理量大并要求压降小（如减压蒸馏）的场合。
重阀厚2mm、重33g，关闭迅速，需较高气速才能吹开，故可以减少漏液、增加效率，但压降稍大些，一般采用重阀。
操作时气流自下而上吹起浮阀，从浮阀周边水平地吹入塔盘上的液层；液体由上层塔盘经降液管流入下层塔盘，再横流过塔盘与气相接触传质后，经溢流堰入降液管，流入下一层塔盘。
综上所述，盘式浮阀塔盘具有如下特点:
（1）处理量较大，比泡罩塔提高20～40%，这是因为气流水平喷出，减少了雾沫夹带，以及浮阀塔盘可以具有较大的开孔率的缘故。
（2）操作弹性比泡罩塔要大。
（3）分离效率较高，比泡罩塔高15%左右。
因为塔盘上没有复杂的障碍物，所以液面落差小，塔盘上的气流比较均匀。
（4）压降较低，因为气体通道比泡罩塔简单得多，因此可用于减压蒸馏。
（5）塔盘的结构较简单，易于制造。
（6）浮阀塔不宜用于易结垢、结焦的介质系统，因垢和焦会妨碍浮阀起落的灵活性。
浮阀塔板的精馏塔是比较典型的板式精馏塔，现在普遍使用，其特点是分割精度高，操作弹性大。
在对产品纯度要求较高的场合大量使用，比如芳烃精馏、气分等等。
缺点是比较适用于相对纯净的混合物分割，像粘度大、易结垢的物料，对长周期运行不利。
对分割精度要求不高的场合使用填料塔比较合适，其流通面积相对大，整塔压降小、操作弹性大，有多种填料形式可供选择。
浮阀的最小开度为2.5mm,最大开度（H-S）为8.5mm。
浮阀可选用A（碳钢Q235-A）、B（不锈钢1Cr13）、C（耐酸钢1Cr18Ni9）和D（耐酸钢1Cr18Ni12Mo2Ti）四种材料制造。
浮阀塔的主要特点是：
1操作弹性大，在较宽的气液负荷变化范围内均可保持高的板效率。
其弹性范围为5-9，比筛板塔和泡罩塔的弹性范围都大；
2处理能力大，比泡罩塔大20％-40％，但比筛板塔略小；③气体为水平方向吹出，气液接触良好，雾沫夹带量小，塔板效率高，一般比泡罩塔高15％左右；
4干板压降比泡罩塔小，但比筛板塔大；
5结构简单、安装方便，制造费用约为泡罩塔的60%-80％，为筛板塔的120％-130％；
6国内使用结果证明，对于粘度稍大及有一般聚合现象的系统，浮阀塔板也能正常操作。
应予指出，以上介绍的仅是几种较为典型的浮阀形式。
由于浮阀具有生产能力大，操作弹性大及塔板效率高等优点，且加工方便，故有关浮阀塔板的研究开发远较其他型式的塔板广泛，是目前新型塔板研究开发的主要方向。
近年来研究开发出的新型浮阀有船型浮阀、管型浮阀、梯型浮阀、双层浮阀、V-V浮阀、混合浮阀等，其共同的特点是加强了流体的导向作用和气体的分散作用，使气液两相的流动更趋于合理，操作弹性和塔板效率得到进一步的提高。
但应指出，在工业应用中，目前还多采用F1型浮阀，其原因是F1型浮阀已有系列化标准，各种设计数据完善，便于设计和对比。
而采用新型浮阀，设计数据不够完善，给设计带来一定的困难，但随着新型浮阀性能测定数据的不断发表及工业应用的增加，其设计数据会逐步完善，在有较完善的性能数据下，设计中可选用新型浮阀。
新型浮阀的特点如下：
1、分馏效率高。
2、生产能力大，即允许的气、液相负荷都较高。
3、操作稳定，“弹性”好。
即在塔内气、液相负荷产生较大变化时仍能保证较高的分馏效率。
4、压降小。
5、结构简单，安装检修方便。
1.7新型浮阀塔板
1.7.1V-V浮阀塔板
V-V浮阀塔板是Billet.R在19992年提出来的,又称高弹性浮阀塔板。
V-V浮阀塔板的主要结构是由三根支撑杆、一个板、一个可以自由上下滑动而不会发生转动的开孔片以及一个固定圈组成。
在低气相流率即负荷下限时阀片处于最低位置将塔板封住，此时的操作相当于开孔率较低的筛孔塔板。
不同之处在于,气体不是直接的垂直进人液层,而是沿开孔水平进人液层,因此塔板漏淮较少。
液相通过与支撑杆和顶板的碰撞增大相际面积从而提高传质效率。
在高气相流率即负荷上限时,阀片上升到顶板顶部全部的气体通过导向立柱水平进入液层,此时的操作如同一般的固定阀塔.在中等的气速即中间负荷时,阀片处于中间位置，并且随气量的变化而变化。
一部分气体通过阀片从上方的开孔水平进人液层,另一部分气体从阀片下方的开孔水平进人液层。
正因为V-V浮阀塔板有以上的结构特点,所以它具有以下优点;
①高性—操作弹性最高可达
②在很宽的气相负荷范围内塔板效率高于普通塔板,其单板效率一般可达
70%-75%
3塔板压降比普通浮阀塔板低15%左右④由于在操作中阀片不会因旋转而卡死、磨损或脱落,所以寿命较长。
V-V塔板可广泛适用于普通的精馏塔以及尿素工业中的予蒸馏塔、一吸收塔
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