毕业设计(说明书)-板式精馏塔(共46页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上乙烯目录专心-专注-专业1绪论塔设备是化工、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。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。2工艺计算2.1物料衡算2.1.1塔顶产品量按照7200小时/年计算，摩尔量(C2H4): =128.74kmol/h2.1.2 塔底、塔顶流量的组成 表2.1 进料各组分组成及性质组 分C2H4C2H6C3H6CH4沸 点-103.7-88.6 oC-47.7-161.5分子量28.0530.0742.0816.04组成0.889890.098430.005100.00658假设乙烯为最少关键组分，乙烷为最多关键组分，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，两种关键组分的挥发度有较大差距，且两者是相邻组分，为清晰分割情况，丙烯在塔顶不出现，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，<0.01， 塔釜乙烯含量0.03 即 xDC2H6=0.001, xwC2H4=0.003表2.2 各组分流量组分C2H4C2H6C3H6 CH4进料量KMol/h88989984305100658100塔顶产品流量KMol/h89-0003w0.00100.6f58D塔釜产品流量KMol/h0.003w9.843-0.001w0.5100W在全塔内对乙烯进行物料衡算：F=D+W1） f×0.88989=129.78×0.992+w0.FX=DXD+Ww 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2.3 塔顶塔釜摩尔分率及摩尔流量组分C2H4C2H6C3H6CH4塔顶产品摩尔流量128.740.129600.9474129.778组成0.9920.00.00731塔底产品摩尔流量0.0452814.1560.7402014.9424组成0.003030.94740.04954012.2确定塔温2.2.1塔釜温度的确定 查P-T-K图，计算 y=KX=1假设泡点温度为20则可查烃类P-T-K得C2H4、C2H6、C3H6、CH4得K依次为20.5, 16, 4.6, 7.6代入得=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=1.34×0.00303+0.93×0.9474+0.28×0.04954=0.899<1假定温度为-2OC=1.54×0.00303+1.24×0.9474+0.33×0.4954=1.00003所以：塔釜温度为-2OC2.2.2塔顶温度的确定采用全凝器。 采用P-T-K图查出ki值计算 y=KX 塔顶温度=1假设露点温度为-20=+=0.913<1说明此温度偏高假设露点温度为-25：=+=1.0364>1试差法： -25+×1=-24.05所以：塔顶温度为-24OC2.2.3进料温度查P-T-K图，计算 y=KX=1假设泡点进料且温度为-20=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=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2.4 塔的温度列表 塔底塔顶进料-2-24-232.3塔板数的计算2.3.1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。+=1-q （1）+=RM+1 （2）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 i列表如下：表2.5 组分分子量组分C2H4C2H6C3H6CH4XF0.8840.098430.00510.006581XP0.9920.00.00731KI1.010.6820.1795.05i1.4810.267.4将数据带入（1）式中：试取计算： =1.533 (1)式=0.07530 =1.35 (2)式=-0.0374 0内插法得=1。48，将带入（2）式，求的Rm,解得： Rm=2.2664取回流比R=1.5×Rm=3.42.3.2确定最小理论板数理论回流比可取为1.5 R=3.262.3.3确定理论板数理论板层数由芬斯克方程求N N=31.256=0.3469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。2.3.4实际塔板数E=0.49（）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=0。88989×0。07+0。09843×0.07+0.0051×0.0051+0.00658×0.02=0.06999 解得E=0.822所以：实际板数N=44/0.882=53.5取55块2.3.4确定进料板位置精馏段板数 n= （1）提留段板数 m= （2）m+n=54 （3）（注 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）（）=1.642（）=1.732则n=21.87 取22块则提留段板数为m=54-32=322.4 塔径计算2.4.1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2.6 塔顶各组分得临界性质列组分%（分子）P（kg/cm）P×%（分子）TT×%（分子）分子量MM×%（分子）C2H40.99250.4830.076282.9280.628.0527.8C2H60.48.290.0482305.330530.070.07CH40.007345.790.334190.91.3910.040.117合计150.46282.327.947对比压力：=0.42对比温度：=0.882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：=416.4立方米/小时塔顶上升蒸汽重度： v =38.32kg/m3表2.7 进料各组分得临界性质组分%（分子）P（kg/cm）P×%（分子）TT×%（分子）分子量MM×%（分子）C2H4088989304844.922282.9251.7528.0524.96C2H60.0984348.294.75305.330.0530.072.96C3H60.005145.370.23364.91.8644.090.215CH40.0065845.790.3190.91.2616.040.11合计50.2284.9228.25对比压力：=0.418对比温度：=0.872查得压缩系数Z=0.691体积流量：=0.107M3/S精馏段气相负合：=0.113M3/S表2.8 塔底各组分得临界性质组分%（分子）P（kg/cm）P×%（分子）TT×%（分子）分子量MM×%（分子）C2H4000303504801532829085728050085C2H60987048564587305828963092845C3H600495645761908305.3281.425530.0727.7185CH4045.3719091604合计1457930833076对比压力：=0.436对比温度：=0.879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：=422.9立方米/小时查轻碳氢化合物数据手册 图2-15、2-17 得各组分重度；表2.9 塔顶各组分重度组分C2H4C2H6C3H6CH4重度042504650表2.10 进料各组分重度组分C2H4C2H6C3H6CH4重度04210462054表2.11 塔釜各组分重度组分C2H4C2H6C3H6CH4重度03504270555塔顶各组分质量流量百分比： qDC2H4=0.928 qDC2H6=0.001 qDCH4=0.0042 解得 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lWw=0.4339则精馏段液相重度=445.5kg/m3 液相负荷 = 26.95m3/h 动能参数=0.2236取板间距H=0.4m 塔板上清液层高度为=0.07m查史密斯关联图得C=0.05查轻碳化合物图4-1、4-2得表面张力表2.12 混合液的表面张力甲烷乙烯乙烷丙烯03.486.2113.6=0.9916×3.6+0.001×6.2=3.46由式=（）得=0.0352塔顶最大空塔速度 Wmax=C=0.1136m/s空塔气速W=0.7×W=0.7×0.1142=0.0795m/s精馏段塔径D=1.335m取精馏段塔径D=1.4m精馏段实际空塔气W=0.072m/s相应的空塔动能因数为F=0.072×=5.62.4.2提馏段塔径提馏段气象重度=V/Vs=43。52提馏段液相重度=430。69提馏段液相负荷=0。1121m3/s则提馏段气相负荷：Ls=RD+qF=38.12m3/h查史密斯关联图得C=0.045查轻碳化合物图4-1、4-2得表面张力c2h4=1.21 Pc2h6=3.59 Pc3h6=10.49混合液的表面张力=3.925=0.0325最大空塔速度: Wmax=C=0。0969空塔气速：W=0.7×W=0。0678m/s提馏段塔径D=1.45; 取塔径1。4m馏段实际空塔气W=0.073m/s2.5 塔内物件的工艺尺寸2.5.1溢流程数的选择根据塔径1.4米，液相负荷3040m 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。2.5.2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;2.5.3塔堰高的确定Hl=hw+how hl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=0.0372.5.4降液管面积查浮阀塔表3-3知=0.143 =0.0878塔板面积A=0.785×1.4=1.54堰宽W=0.143×1.4=0.2m溢流面积A=0.878× A=0.13852.5.5校核液体在降液管内停留时间精馏段t=7.4s5s提馏段t=5.2s5s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/s2.5.6 降液管下端距塔盘的距离h：h=w降液管下端出口处的流速一般取0.070.25m/s 可取0.2m/s精馏段ho=0.0382mh=0.07m提馏段ho=0.054h=0.07m取距离为：h=0,05m2.5.7浮盘数采用F-1重阀, 阀孔直径为39。精馏段临界阀孔气速 ：=1.387m/s提馏段临界阀孔气速: =1.326m/s开孔率×100%=5。2%阀孔总面积：精馏段： A=0。08m2提馏段: A=0.0847m2精馏段阀数: N=67个提馏段阀数: N=70个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.2.6 流体力学验算2.6.1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=0.米液柱全开后hc=5.34=0.046米水柱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2.6.2 液泛校核逸流管内液成高度： Hd=hl+hp+hd+hvhd=0.153=0.042米液柱对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=0.5，（HT+hw）=0.5×(0.4+0.0374)=0.218>0.144所以可以避免液泛。2.6.3雾沫夹夹带情况精馏段V=0.033立方米/秒提馏段V=0.0346立方米/秒Z=d-2Wd=1.4-2×0.2=1.0mAa=AT-2Af=1.54-2×0.135=1.27立方米K取0.85CF查基本有机化学工程图9-28可知CF=0.107则精馏段:F1=33.3<80%提馏段F1=38.3%<80%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。2.7 安全操作范围和操作线2.7.1精馏段（1）液相负荷上限:取t=3秒 =0.985立方米/秒液相负荷下限:因采用平直堰=0.×0.98=0.立方米/秒气相负荷下限:=0.0632立方米/秒气相负荷上限液泛线A=3.83B=0.5×0.4+(0.5-1.4)×0.043=0.1685C=99.57D=1.265所以液泛线为：3.83雾沫夹带线为： 9.88。操作弹性为：v上/v下=2。552.7.2提馏段液相负荷上限:取t=3秒 =0。0185立方米/秒液相负荷下限:因采用平直堰=0。00837立方米/秒气相负荷下限:=0.0615立方米/秒气相负荷上限:液泛线A=4.3B=0.1685C=99.56D=1.2654.3所以雾沫夹带线为得10.46操作弹性为：v上/v下=2.76 图2.1 曲线图2.8附属设备的选择2.8.1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2.13 各组分含量 成分甲烷乙烯乙烷含量0.00740.99160.001焓差（千卡/公斤）112-25150-75156-63Qc=VIVD-（LILD-DICD），V=L+D=（R+1）D，所以：Qc=（R+1）D（IVD-ILD）=kj/h2.8.2再沸器的选择 以再沸器为系统进行热量恒算，各成分的 表2.14 各组分焓差成分乙烯乙烷丙烯含量0.030.94740.04954焓差（千卡/公斤）150-75158-80160-68QB=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 2.8.4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.2.9管径设计1）塔顶蒸汽管查表得蒸汽气速1220立方米/秒蒸汽量立方米/秒 D= 取v=15m/s 则得D=0.0918m 取 219×6的管。公称直径为Dg200。2）回流管管径 因为回流泵所取2m/s =0。0756取=108×4 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 =0。075取 108×6的管。公称直径为Dg100。4）塔釜出料管=0。0216取 76×4的管。公称直径为Dg65。5）进再沸器管=0。122m取 219×6的管。公称直径为Dg200。6） 再沸器蒸汽入塔器 取速度为5m/s=0.055m 取 194×6的管。公称直径为Dg175。3 强度及稳定性计算3.1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=163mpa.圆筒计算厚度:其中： Pc计算压力， Pc=1.1P=1.3mpa； 焊接接=PcDi/（2t-Pc）头系数， 取1； 按GB709-65, 钢板厚度负偏差C1=1mm，腐蚀余量取1mm；=2.3×1.4/2×16381-0.3=9.95mm取钢板名义厚度n=12mm.封头厚度计算:标准椭圆封头K=1;= PcDi/（2t-0.5Pc）=9.91mm取钢板名义厚度n=12mm.实验压力校合：（1） 液压实验校合：Pt=1.25P/ t=1.25×163=2033.2载荷的计算3.2.1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=/4（1.4+0.015×2）2-1.42×（27.8+3）×7.85×103=/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=/4×1.42×55×75=6235。（单位面积重75）保温层质量m03=/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+/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=/4×1.42×0.07×450×55=3670.充水质量mw=/4×1.42×27×1000=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3.1 塔高及数据表3.1 各组分质量项目段号项目段号123456m01+ma143641436414364143641436414364m0245015951595159515951595m03366879880880880880m04150943943943943943m05150880880880880880mw150092469246924692469246m0140078417841784178417841mmax200011398113988063.91139811398mnin1000577757775777 577778415777577757773.2.2塔的自振周期T1=90.33H（m0H/EeDi3）1/2×10-3 , 其中e=n-c=15-0.25-1.2=13.55mmT1=90.33×30000（36789.5×30000/2×105×13.55×14003）1/2×10-3 =1.4s3.2.3地震载荷及地震弯矩的计算表3.2 地震力和地震弯距塔段号项目12345操作质量mi kg14007841784178417841集中质量距地高度hi mm30009000150002100027000hi1.55224656994137mihi1.57275207×1054468×105737×1051074×105mihi30378×105547×105254×105693×1051410×105 10A=mihi1.5 i=1 2464×10610 B=mihi3 i=124117×107 k1=0.0530.2690.5810.961.4C0.5塔段号项目12345 1=(Tg/T)max 0.146Fk1= C1yk1mkg53.1510326253907860vmax=0.65max0.2952Meg=0.75Mo 24573.5Fv=gvmaxMeg70512.5Mi×hi4200695491.16×1051.62×1052.08×1055.603×108527.687531.46×1042.04×1042.6×104Fki×hi159×1031.34×1074.83×1071.11×1082.09×1083.82×108H/Di=51.7/2.2 =28.045 > 15 须考虑高振型影响。I-I截面地震弯矩：-截面地震弯矩：3.2.4风载荷和风弯矩计算： 将塔沿高分成6段（如图下所示） 图3.2 塔各级表现表3.3 塔段号与长度塔段号项目123456塔段长度m055101015152020252530441N/m20.7（B类）3.086（B类）0.720.7f20.790.790.850.850.05460.2750.360.5720.7910.811.141.251.7151.81.151.611.772.122.212.46塔段号项目123456 mm500050005000500050005100 mm400 mm500 mm2324330057757238950513596158840-0截面风弯矩:=1.×109N×mm截面风弯矩：II-II截面风弯距 ME=0.4P1（ ）+P2（L1-3000+ ）+P3（L1-3000+L2+）=8.8817×108Nmm3.2.5最大弯矩塔底部见面00处： 取其中较大值截面:II-II截面3.3 应力校核3.3.1 圆筒应力校核：验算塔壳截面处操作时和压力实验时的强度和稳定性计算截面计算截面以上的塔操作质量31300计算截面的横截面积48380塔壳有效厚度11mm计算截面的截面系数1.692×107最大弯矩8.82×105许用轴向压应力取小值（k取1.2）192Mpa许用轴向拉应力195.6Mpa操作压力引起轴向拉应力66.8MPa重力引起轴向应力6.34MPa弯矩引起的轴向应力52.5Mpa轴向压应力6.34+52.5<192组合拉应力66.8-6.34+52.5<192液柱静压力（ 26.88Mpa液压试验时计算截面以上的塔的质量2975kg许用轴向压应力 取小值192 Mpa许用轴向拉应力340.2许用周向应力283.5 Mpa周向应力压力引起的轴向应力83.5 Mpa重力引起的轴向应力13.8 Mpa弯矩引起的轴向应力15.75 Mpa轴向压应力29.55<168组合拉应力85.45<1763.3.2裙座壳轴向应力校核：a、00截面裙座壳为圆筒形材料为16计算系数： 查得B=160Mpa 该塔由风弯矩控制所以不计底部截面积：底部截面系数： 取195.6Mpa 取19.56Mpab、管线因出口截面处的组合应力： ,bm=450mm,lm=110mm,Dim=1398mmAsm=Dim=54232mm2截面系数：zsm=1.675×1073应力校核： <即： 263<3.4 基础环结构设计及校核3.4.1 基础环基础环外径：基础环内径：查表得： Mx>My所以：Ms=Mx=11632Nmm基础环的厚度： 取3.4.2地脚螺栓计算：地脚螺栓承受的最大拉应力：= （最大值）得=2。45Mpa.地脚螺栓螺纹小径计算：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3.4.3肋板计算：L2=138mm; =14mm; n1=2;一个地脚螺栓所承受的最大拉力：肋板细长比：临界细长比： 故肋板许用压应力：其中：则肋板压应力：所以：3.4.4盖板计算：盖板为有垫板的环形盖板式中：； ； ； ; 最大应力：所以：盖板厚度16mm，垫板厚度22mm裙座与塔壳对接连接焊逢校核：即 36.3<117焊逢验算合格。3.5 补强计算3.5.1塔顶蒸汽出孔接管的材料为20#钢，壳体材料为16MnDRfr强度削弱系数：（1）所削弱面积：其中为开孔出计算厚度，封头为标准椭圆形封头=10.5mm接管的有效厚度: =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）=12181.92（2）有效补强范围a、有效宽度B= 取大值B=418mmb、有效高度 =25.9mm外侧有效高度：h1=53.4 取小h1=35.4m内侧有效高度:h2= 取小h0=0mm(3)有效补强面积封头多余金属面积A1=（B-d）(e-)-2et（e-）（1-fr）=103mm2接管的计算厚度=1.85mm2A2=2h1(et-t)fr+2h2（et-c）fr=187mm2接管区焊缝面积:A3=2×0.5×6×6=362有效补强面积:Ae=A1+A2+A3=3262另外所须补强面积:A4=A-Ae=18852根据公称直径Dg200,采用补强圈补强.3.5.2 人孔的补强计算人孔筒节的材料为16MnDR，壳体材料为16MnDRfr强度削弱系数:（1）所削弱面积：其中为开孔出计算厚度，筒壳的厚度=9.95mm接管的有效厚度: =12-1=11mm;开口直径：d=di+2c=458所以：A=1842（2）有效补强范围a、有效宽度B= 取大值B=916mmb、有效高度 =74.1mm外侧有效高度：h1=53.4 取小h1=53.4mm内侧有效高度:h2= 取小h0=0mm(3)有效补强面积筒体多余金属面积:A1=（B-d）(e-)-2et（e-）（1-fr）=232mm2接管的计算厚度=3.57mm接管多余金属面积：A2=2h1(et-t)fr+2h2（et-c）fr=129