万吨年催化重整装置脱戊烷塔的计算设计毕业设计.doc
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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流万吨年催化重整装置脱戊烷塔的计算设计毕业设计.精品文档.16万吨年催化重整装置脱戊烷塔的计算设计目 录前 言1第一章 脱戊烷精馏塔概述21.1 概述21.2 精馏塔设计原则21.3 设计方案31.3.1 塔设备的选型31.3.2 板式塔精馏操作流程41.3.3 分离序列的选择51.3.4 产品纯度或回收率51.3.5 能量的利用51.3.6 辅助设备的选择61.3.7 系统控制方案61.4 操作条件的选择71.4.1 操作压力71.4.2 进料状态71.4.3 加热剂和加热方法81.4.4 冷却剂81.4.5 回流比9第二章 脱戊烷塔体的设计
2、102.1 脱戊烷塔材料的选择102.2 脱戊烷塔设计参照标准11第三章 脱戊烷塔的强度校核123.1自振、风载及地震载荷分析123.2 筒体和封头的强度校核153.2.1 筒体的强度校核153.2.2 椭圆封头的校核243.3 开孔及接管的强度校核293.3.1 人孔开孔补强的计算及接管的校核293.3.2 塔底出料口的开孔及接管补强的计算323.3.3 塔顶油气出口管开孔补强计算及校核353.4 裙座的强度计算和校核383.4.1 裙壳对接焊缝拉应力计算383.4.2 裙壳的应力计算403.4.3 螺栓座的强度校核42第四章 塔的零部件设计454.1 板式塔塔盘的结构454.1.1 选取塔
3、盘形式454.1.2 降液管454.1.3 受液盘464.1.4 溢流堰464.2 浮阀的类型464.2.1 重盘式浮阀464.2.2 盘式浮阀464.2.3 锥心浮阀474.3 裙座474.3.1 裙座的材料4744 塔顶吊柱484.5 操作平台和梯子484.5.1 操作平台484.5.2 梯子48结 论50参考文献51致 谢52前 言石油是一个国家经济发展国家稳定的命脉。在石油、化工生产中，塔设备是非常重要的设备之一，塔设备的性能，对于整个化工和炼油装置的产品质量及其生产能力和消耗额等均有较大影响。据相光关资料报道，塔设备的投资和金属用量，在整个工艺装置中均占较大比例，因此塔设备的设计和研
4、究，始终受到很大的重视。塔设备广泛应用于蒸馏、吸收、介吸、萃取、气体的洗涤、 增湿及冷却等单元操作中，它的操作性能好坏，对整个装置的生产，产品产量，质量，成本以及环境保护，“三废”处理等都有较大的影响。近些年来，国内外对它的研究也比较多，但主要是集中在常压塔的结构和性能方面，例如：如何提高塔的稳定性、如何利用理论曲线解决常压塔在性能方面存在的问题等。在原油的一次加工过程中，常压蒸馏装置是每个正规炼厂都必须具备的，而其核心设备常压塔的性能状况将直接影响炼厂的经济效益，由于在原油加工的第一步中，它可以将原油分割成相应的直馏汽油，煤油，轻柴油或重柴油馏分及各种润滑油馏分等。同时，也为原油的二次加工提
5、供各种原料。在进一步提高轻质油的产率或改善产品的质量方面，都有着举足轻重的地位。考虑到常压塔在实际应用方面的价值和意义，如何实现这样一种最经济、最容易的分离手段，是本次毕业设计选题的重要依据。近年来，由于石油、化工企业不断向大型化的生产发展，因此塔设备的单台规模也随之增大。例如：有的板式塔的直径可达10m 以上，塔的总高度可达到80m，而填料塔更有直径为15m ,塔高为100m 的大塔已经投产。应当指出，设备大型化后，必须保证它在全负荷下运转，否则经济损失将是非常巨大的。对于大型设备的设计、制造、操作和维修等，应提出更高、更严格的要求。常压塔的研究也趋向于结构材料的探索，提高设备的使用周期，主
6、要体现在所选择材料的防腐性和一些防腐材料的研究，同时也着眼于设备的安去性和环保性，以上这些都成为了当今常压塔研究的热门课题。第一章 脱戊烷精馏塔概述1.1 概述蒸馏是利用液体混合物中各组分挥发度的不同并借助于多次部分汽化和部分冷凝达到轻重组分分离的方法。蒸馏操作在化工、石油化工、轻工等工业生产中中占有重要的地位。为此，掌握气液相平衡关系，熟悉各种塔型的操作特性，对选择、设计和分析分离过程中的各种参数是非常重要的。 蒸馏过程按操作方式可分为间歇蒸馏和连续蒸馏。间歇蒸馏是一种不稳态操作，主要应用于批量生产或某些有特殊要求的场合；连续蒸馏为稳态的连续过程，是化工生产常用的方法。蒸馏过程按蒸馏方式可分
7、为简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏和特殊精馏等。简单蒸馏是一种单级蒸馏操作，常以间歇方式进行。平衡蒸馏又称闪蒸，也是一种单级蒸馏操作，常以连续方式进行。简单蒸馏和平衡蒸馏一般用于较易分离的体系或分离要求不高的体系。对于较难分离的体系可采用精馏，用普通精馏不能分离体系则可采用特精馏。特殊精馏是在物系中加入第三组分，改变被分离组分的活度系数，增大组分间的相对挥发度，达到有效分离的目的。特殊精馏有萃取精馏、恒沸精馏和盐溶精馏等。 精馏过程按操作压强可分为常压精馏、加压精馏和减压精馏。一般说来，当总压强增大时，平衡时气相浓度与液相浓度接近，对分离不利，但对在常压下为气态的混合物，可采用加压精馏。1.2 精馏塔
8、设计原则总的原则是尽可能多地采用先进的技术，使生产达到技术先进、经济合理的要求，符合优质、高产、安全、低能耗的原则，具体考虑以下几点。 满足工艺和操作的要求：所设计出来的流程和设备能保证得到质量稳定的产品。由于工业上原料的浓度、温度经常有变化，因此设计的流程与设备需要一定的操作弹性，可方便地进行流量和传热量的调节。设置必需的仪表并安装在适宜部位，以便能通过这些仪表来观测和控制生产过程。 满足经济上的要求：要节省热能和电能的消耗，减少设备与基建的费用，如合理利用塔顶和塔底的废热，既可节省蒸汽和冷却介质的消耗，也能节省电的消耗。回流比对操作费用和设备费用均有很大的影响，因此必须选择合适的回流比。冷
9、却水的节省也对操作费用和设备费用有影响，减少冷却水用量，操作费用下降，但所需传热设备面积增加，设备费用增加。因此，设计时应全面考虑，力求总费用尽可能低一些。 保证生产安全：生产中应防止物料的泄露，生产和使用易燃物料车间的电器均应为防爆产品。塔体大都安装在室外，为能抵抗大自然的破坏，塔设备应具有一定刚度和强度。1.3 设计方案设计方案包括精馏流程、设备的结构类型和操作参数等的确定。例如塔设备的形式、组分的分离顺序（多组分体系）、操作压力、进料热状态、塔顶蒸气的冷凝方式、余热利用的方案、安全、调节机构和测量控制仪表的设置等。限于篇幅，仅对其中一些内容作些阐述，其他内容可见参考文献。1.3.1 塔设
10、备的选型化工生产所处理的原料、中间产物、粗产品等几乎都是混合物，而且绝大部分是均相物系。为实现从这些混合物中得到所需的产品，通常会将混合物分离。而分离后得到的较纯净或几乎纯态的物质的方法，则通常使用精馏。精馏操作一般是在塔中进行的，可用板式塔亦可用填料塔。考虑到板式塔与填料塔相比较，在压降、空塔气速、塔效率、液-气比、持液量、安装检修等方面有着更为优秀的一面，对于物系无特殊工艺特性要求，且生产能力不是过小的精馏操作，选板式塔作为本次设计课题年产16万吨精馏产品的精馏塔设备。不同类型的板式塔，例如泡罩塔、浮阀塔、喷射型塔、多降液管塔、无溢流塔等，均有自身的特点，各有适合的场合。任何一种类型的塔都
11、难以同时满足上述的要求，因此，我们只能根据精馏物系的性质和要求，结合实际，通过几项主要指标的分析比较，选取一种相对适宜的塔型。我们选取板式塔中的浮阀塔作为设计目标。浮阀塔是20世纪50年代前后开发和应用的，并在石油、化工等工业部门代替了传统使用的泡罩塔，成为当今应用最广泛的塔型之一，并因具有优异的综合性能，在设计和选用塔型时常是被首选的板式塔。浮阀塔塔盘上开有一定形状的阀孔，孔中安装了可在适当范围内上下浮筒的阀片，因而可适应较大的气相负荷的变化。阀片的形状有圆形、矩形等。实践证明，浮阀塔具有以下优点：生产能力大，比泡罩塔提高20-40%。操作弹性大，在较宽的气相负荷范围内，塔板效率变化较小，其
12、操作弹性较筛板塔有较大的改善。塔板效率较高，因为它的气液接触状态较好，且气体沿水平方向吹入液层，雾沫夹带较小。塔板结构及安装较泡罩简单，重量较轻，制造费用低，仅为泡罩塔的60%-80%左右。浮阀塔的缺点为：在气速较低时，仍有塔板漏液，故低气速时板效率有所下降。浮阀阀片有卡死和吹脱的可能，这会导致操作运转及检修的困难。塔板压力降较大，妨碍了它在高气相负荷及真空塔中的应用。浮阀塔操作时气、液两相的流程与泡罩塔相似，蒸汽从阀孔上升，顶开阀片，穿过环型缝隙，然后以水平方向吹入液层，形成泡沫。浮阀能随气速的增减在相当宽的气速范围内自由升降，以保持稳定的操作。1.3.2 板式塔精馏操作流程板式精馏塔是一个
13、在内部设置多块塔板的装置。全塔各板自塔底向上气相中易挥发组分浓度逐板增加；自塔顶向下液相中易挥发组分浓度逐板降低。温度自下而上逐板降低。在板数足够多时，蒸汽经过自下而上的多次提浓，由塔顶引出的蒸汽几乎为纯净的易挥发组分，经部分冷凝，未凝蒸汽作为塔顶产品（或冷凝为馏出液），部分冷凝液引回到最上层的塔板上，称为回流。液体经过自下而上多次变稀，经部分汽化器（常称为再沸器）后所剩余的液体几乎纯净难挥发组分，作为塔底产品（亦称为釜液），部分汽化所得蒸汽引入最下层板上。当某块塔板上的浓度与原料的浓度相近或相等时，料液就由此板引入，该板称为加料板。其上的部分称为精馏段，加料板及其以下的部分称为提馏段。精馏段
14、起着使原料中易挥发组分增浓的作用。提馏段则起着回收原料中易挥发组分的作用。精馏是组分在气相和液相间的传质过程，任意塔板若缺少气相或液相，过程将无法进行。对塔顶第一层板有其下第二层板上升得蒸汽，缺少下降液体，回流正是为第一层板提供下降液。由第二层塔板上升的蒸汽浓度已经相当高了，依相平衡原理，与气相接触的液相浓度亦应很高才行。显然，用塔顶冷凝器的一部分作为回流液是最简单的方法。塔底最下一块塔板虽有其上一块塔板流下的液体，为保证操作进行还要有上升的蒸汽，根据相平衡原理要求与塔板上液体接触的蒸汽浓度亦应很低。因此将再沸器部分汽化之蒸汽引入最下一层塔板，正是为他提供低浓度上升蒸气。塔顶回流、塔底上升蒸汽
15、是保证精馏过程连续、稳定操作的充分必要条件。1.3.3 分离序列的选择 对于二元混合物采用一个精馏塔分离，分别从塔顶、塔底获得轻、重组分产品，显然分离序列唯一。N个组分的混合物采用简单精馏塔进行锐分离可获取N个产品，则需要N-1个塔。通过不同的组合，可得到2（N-1）!/N!(N-1)!个分离序列。不同的分离序列其操作费用及设备投资费用不同，故选择分离序列是必要的，也是混合物分离节能降耗的关键。通常情况下多采用顺序分流。然而，由于相邻组分之间的相对挥发度及其他参数存在较大差异并非如此。故在设计流程方案时，应结合一些经验规则和方法确定。（详情请看参考文献）1.3.4 产品纯度或回收率产品纯度通常
16、是根据客户的要求决定的。若客户对精馏塔顶和塔底产品的纯度都有要求，则产品的回收率也已确定；若用户仅指定其中一种产品的纯度，设计人员则可根据经济分析决定产品的回收率。提高产品的纯度意味着提高产品的回收率，可获得一定的经济效益。但是产品纯度的提高或者是通过增加塔板数或者是增加回流比来达到的，这意味着设备费用或操作费用的增加，因此只能通过经济分析来决定产品的纯度或回收率。1.3.5 能量的利用精馏过程是热能驱动的过程，过程的耗能在整个生产耗能中占有相当大的比重，例如炼油厂精馏所消耗的燃料，通常可达全厂燃料总耗量的15%-40%。能耗在产品成本中占据重要位置，而产品的单位能耗是考核产品的重要指标，直接
17、影响产品的竞争能力及企业的生存，故合理、有效地利用能量，降低精馏过程或生产系统能耗量是十分必要的。精馏过程的节能采用分离序列综合的方法，通常可用以下策略：（1）精馏操作参数的优化：在保证分离要求和生产能力的条件下，通过优化操作参数，以减少回流比，降低能耗。（2）精馏系统的能量集成：通过再沸器将能量分离剂加入精馏塔内，热能驱动蒸馏过程后，引起有效能损失，即能位降低。大部分热量从塔顶冷凝器移出，少量由塔两端产品带出，并将热量排入大气或环境中，显然这是不合理的，应通过能量集成的方法将其进行回收。如果在系统内有多个精馏塔或有适宜热阱，即需要加热的冷物流，则可将以上排出的热量进行回收。通常可以用排出的釜
18、液预热该塔进料，也可结合物系性质，通过调整塔自身操作条件或其他塔的操作条件，使其塔顶蒸汽温位满足另一塔再沸器热源的需要，以取代原加热蒸汽，使该部分热量得到回收，同时还节省了原塔顶冷凝器的冷却水，实现了过程的能量集成，此类操作称之为多效蒸馏。有时为回收低品位热量或热剂，集合精馏塔内温度分布的特点，可设中间冷凝器或中间再沸器，以节省高品位的冷剂或热源，减少系统的有效能损失，提高精馏过程的热力学效率。但是由于增设了中间冷凝器或中间再沸器，造成了塔内气液相流动状态的变化，削弱了塔的分离能力，在设计或改造精馏塔时应加以重视，塔的理论级数应留有足够裕量，以保证精馏塔的分离能力。1.3.6 辅助设备的选择
19、精馏装置除了精馏塔主体设备外，还有许多其他重要辅助设备。例如，原料预热器、精馏塔再沸器及冷凝器、塔顶及塔底产品的冷却器、物料进入装置前应有原料罐、排出装置后的产品罐。此外装置中间有时需设中间罐、物料在系统中流动显然还必须有输送泵。1.3.7 系统控制方案 为了维持系统安全稳定的操作，有些主要参数应加以控制。通常需要对进入系统的原料流量、精馏塔的回流量、系统各中间罐的液面及塔操作压力和温度加以控制，对于连续安全生产的参数可采用指示仪表，而不必设自动控制。1.4 操作条件的选择当以上原则流程确定之后，应选择各单元设备的操作条件初值，以便系统的严格模拟计算及操作参数的优化。操作条件的选择通常以物系的
20、性质、分离要求等工艺条件以及所能提供的公共工程实际条件作为前提，以达到某一目标为最优来选择适宜操作条件。在精馏装置中，首先选择精馏塔的操作条件，其他单元设备操作条件随之而定。同时，还要考虑本装置与上、下游装置衔接的工况。精馏塔操作条件的选择通常从以下几个方面进行考虑。1.4.1 操作压力塔内操作压力的选择不仅牵涉到分离问题，而且与塔顶和塔底温度的选取有关。根据所处理的物料性质，兼顾技术上的可行性和经济上的合理性来综合考虑，一般有下列原则： （1）压力增加可提高塔的处理能力，但会增加塔身的壁厚，导致设备费用增加；压力增加，组分间的相对挥发度降低，回流比或塔高增加，导致操作费用或设备费用增加。因此
21、如果在常压下操作时，塔顶蒸气可以用普通冷却水进行冷却，一般不采用加压操作。操作压力大于 1.6MPa 才能使普通冷却水冷却塔顶蒸气时，应对低压、冷冻剂冷却和高压、冷却水冷却的方案进行比较后，确定适宜的操作方式。 （2）考虑可利用较低品位的冷源使蒸气冷凝，且压力提高后不致引起操作上的其他问题和设备费用的增加，可以使用加压操作。 （3）真空操作不仅需要增加真空设备的投资和操作费用，而且由于真空下气体体积增大，需要的塔径增加，因此塔设备费用增加。1.4.2 进料状态进料可以是过冷液体、饱和液体、饱和蒸汽、汽液混合物或过热蒸汽。不同的进料状态对塔的热流量、塔径和所需的塔板数都有一定的影响，通常进料状态
22、由前一工序来的原料的状态所决定。从设计角度来看，如果来的原料为过冷液体，则可考虑加设原料预热器，将料液预热至泡点，以饱和液体状态进料。这时，精馏段和提馏段的汽相流率相近，两段的塔径可以相同，便于设计和制造，另外，操作上也比较容易控制，从而减少过冷进料时再沸器热流量，节省高品位热能，降低系统的有效能损失，使系统能趋于合理。但是，预热进料导致提馏段气、液相流量同时减少，从而引起提馏段液、气比的增加，为此削弱了提馏段各板的分离能力，使其所需塔板数有所增加。1.4.3 加热剂和加热方法由于作为热源的饱和水蒸汽相对比较容易生产、输送、控制，并且具有较高的冷凝潜热和较大的表面传热系数，所以，再沸器的热源通
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