年产12万吨乙醇水溶液提纯精馏塔设计-毕业设计论文.doc

本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 题目： 姓名： 学号： 班级： 毕业设计任务书 乙醇水溶液 提纯精馏（120kt/a）设计 学院 化工学院 专业年级 班 学生姓名 学生姓名 学号 教师姓名 职称 讲师 题 目 乙醇水溶液提纯中精馏塔（ 120kt/a）设计 主要研 究内容 该设计为乙醇水溶液进行提纯工艺中年产 12 万吨精馏塔的设计（年开工日按 330 天计算） 。文献综述方面重点在对最新换热设备、塔设备方面技术资料的查阅 和总结，了解当前相关技术的趋势和发展。设计方面重点在对重要设备的计算和 施工图的完成。 主要设计内容：1 工艺条件的确定 2 塔设备工艺计算（总体结构，理论塔板数等。 ） 3 塔设备结构、强度校核计算。 4 绘制塔设备、再沸器施工图（装配图、主要零、部件图） 。 5 完成专题论文一篇（不少于 3000 字） 。 6 完成英文文献翻译（不少于 3000 字） 。 研究与 设计方法 利用有关技术资料化工原理课程设计 、 塔设备设计 、 化工原理 等进行工艺计算与机械设计计算。 利用机械制图 、 机械零件手册及相应的国家标准绘制工程图纸。 主要技 术指标( 或 研究目标) 主要技术指标： 塔设备设计条件： 入料浓度 15%（c 2h5oh/h2o 质量百分比） ；塔顶酒精浓度： 96%（ c2h5oh/h2o 质量百分比）釜液乙醇浓度， 稳系数 0inu13.6=71.5k， 2.8.4 液泛 为防止塔内发生液泛，将夜管内液层高应服从下式 d()twhh0.5(4.9)0.175m 而 dpldh222000.7.().().()0.116sdwulh =0.0893+0.07+0.0012=0.1605m1 不得小于 0.2 ax=0.2 0.23=0.046k1zklfcg 01 12 23 34水平地震力 k1f ， n 4.69 250.27 6136.94 22140.78 垂直地震影响系数 vmaxvmax0.65 ax0.650.450.2925 操作质量0 ，kg 24119.76 当量质量eq ，kg 取 0.75.2419.7680eq 底截面处垂 直地震力， 0vf ，n 0max51.3veqfg 01 12 23 34imh4.6563.908.181.206ii18.570 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计（论文） 第 46 页10ivvi6 10k4728mhfh 01 12 23 34 垂直地震力 1vf ， n 3.33 787.8 22422 28684 底截面处地震载荷 0e1m ， m 011065ezmcgh= 8.10 底截面处地震弯矩 ， n 1.2.3.9 截面 1-1 处地震弯 矩 1e 1ee3.52.53.502.58.(14)736zmghh 截面 2-2 处地震弯 矩 2em ， nm 21.eem3.52.53.502.58(14)73.zcghh 5.6 风载荷与风弯矩计算 表 5-4 风载荷与风弯矩计算 计算公式及数据 计算内容 01 12 23 34 各计算段的 外径 oid，m80618oiind 塔顶管线外 径 od， 400 第 i 段保 温层厚 度 si 100 管线保温层 厚度 ps 100 笼式扶 梯当量 宽度 3k400 01 12 23 34各计算段长 度 il， m1000 2000 9700 6950 平台数 01 12 23 34 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计（论文） 第 47 页 0 0 2 1 01 12 23 34各段平台构 件的投影面 积 a，2m0 0 61.4058.0402akl 01 12 23 34 操作平台当 量宽度 4k 0 0 489.5 236.0eid = oisi4opsd 01 12 23 34 各计算段的 有效直径 eid，m 2612 2612 3101.6 2848.0 01 12 23 34 各计算段顶 截面距地面 的高度 ith， 1000 3000 12700 19650 根据 ith 01 12 23 34风压高度变 化系数 if 0.8 0.8 0.8 1.14 体型系 数 1k0.7 基本风压值 0q，2n/m400 塔设备自振 周期 1t，s 0.5820q 134.56 查表 5-820脉动增大系 数 （b 类） 2.04 查表 5-920 01 12 23 34 脉动影响系 数 i（b 类） 0.72 0.72 0.72 0.72 01 12 23 34ith/h 0.06 0.18 0.58 1 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计（论文） 第 48 页u 1.0 根据 ith/h与 u 查表 5-1020 01 12 23 34第 i 段振型系数 zi 0.02 0.06 0.45 1iz2i1kf 01 12 23 34 各计算段的 风振系数 2ik 1.037 1.110 1.826 2.2886i12i0ie1pkqfld 01 12 23 34 各计算段的 水平风力 ip， n 606.74 1298.90 8499.81 14455.95 0-0 截面的风 弯矩 0wm， n mm 0 312 4w31241238+(l)(+)(+) 3. llppl 1-1 截面的风 弯矩 1w， n mm 132 4w4238+()(+) .790ll lpp 2-2 截面的风 弯矩 2wm， n mm 234w8+()2 .10llp 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计（论文） 第 49 页 5.7 偏心弯矩及最大弯矩 表 5-5 偏心弯矩及最大弯矩 偏心弯矩 计算内容 计算公式及数据 偏心质量 ，emkg 4000 偏心距 ， 200 偏心弯矩 ，em 7409.8120.841emmg 最大弯矩 计算公式及数据计算内容 0-0 截面 1-1-截面 2-2 截面iwem83.1083.571083.100.25iiee 84.658.984.69 最大弯矩 ，maxin 8.1085.018.10 5.8 圆筒轴向应力校核和圆筒稳定校核 表 5-6 圆筒轴向应力校核和圆筒稳定校核 计算公式及数据计算内容 0-0 截面 1-1 截面 2-2 截面 有效厚度 ，em6 圆筒内径 ，id1800 计算截面以上的操作质 量 ，0ikg24119.76 23746.83 21794.68 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计（论文） 第 50 页10.35189.346iepd 设计压力引起的轴向应 力 ，1mpa 0 0 39.382iiemg 操作质量引起的轴向应 力 ，2a 11.74 11.58 10.85max324iiemd 最大弯矩引起的轴向应 力 ，3mpa 49.69 46.06 38.89 载荷组合系数 k 1.2 系数 a 4 0.94.6.1800eiar 查表得： （ ，150）16mn7t （ ，150）235q13s设计温度下材料的许用应力 ，tmpa 113 113 170 查图得（ ，51）：r8b 图 4-8（ ，51 ）：a9系数 b， 93 93 118 ，kpa111.6 111.6 141.6 ，tm135.6 135.6 204 取以上两者中小值需用轴向压应力 ，cr 111.6 111.6 141.6 ，tkpa115.26 115.26 173.4 对内压塔器 （满足要求）23()cr圆筒最大组合应力 ，23()m61.43 57.64 49.74 对内压塔器 （满足要求）1crk圆筒最大组合拉应力 ，1a37.95 34.48 67.42 5.9 塔设备压力实验时的应力校核 表 5-7 塔设备压力实验时的应力校核 计算内容 计算公式及数据 试验介质的密度（介质 为水） ，3/kgcm0.001 液柱高度 ，h19650 液柱静压力 0.170 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计（论文） 第 51 页 ，/9.81hmpa 有效厚度 ，eim4 筒体内径 ，d1800 2-2 截面最大质量 ，2tkg 55054.42 试验压力 ，tppa0.35 筒体常温屈服点 ，sma 345 2-2 截面 ，0.9sk372.6 2-2 截面 ，ba141.6 取以上两者中小值压力试验时圆筒材 料的许用轴向压 ，crpa 141.6 试验压力引起的轴向应 力 ，tm /9.812tieieiphd136. 液压实验时： （满足要求）t0.sk 试验压力引起的轴向应 力 ，1tpa149 itep 重力引起的轴向应力 ，2t23.8itemgd 弯矩引起的轴向应 力 ，3tma 2340.14.5wtiem12398t 液压试验时： （满足要求）1239.8tt0.sk 压力实验时圆筒最大组 合应力， p （满足要求）6cr 5.10 裙座轴向应力校核 表 5-8 裙座轴向应力校核 计算内容 计算公式及数据 裙座有效厚度 ，esm4 裙座筒体内径 ，isd1800 0-0 截面积 ，sba2 43.1802.610sbisad 0-0 截面系数 ，z3 2 74iz ，kbmpa 111.6 ，ts 135.6 裙座许用轴向应力， 取以上两者以上最小值 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计（论文） 第 52 页mpa 111.6 0-0 截面最大弯矩 ，0maxn 84.6510 0-0 截面操作质量 ，0kg 24119.76 0-0 截面组合应力， pa0max61.35sbsmgzakb 检查孔加强管长度 ，ml 120 检查孔加强管水平方向 的最大宽度 ，b 450 检查孔加强管厚度 ，m 6 裙座内直径 ，imd1800a2140mal 1-1 截面处的裙座筒体的 截面积 ，sm2 siesmesdba z 222imeszl 58.3610 1-1 截面处的裙座筒体截 面系数 ，sm3 242essmiesmimdbz 6. 1-1 截面最大弯矩 ，1axmn 8.510 1-1 截面处的风弯矩 ，w 2.79 1-1 截面以上操作质量 ，10mkg 23746.83 1-1 截面以上最大质量 ，ax 56780.14 118max064.507.14987.102ssmgzakb 1-1 截面组合应力， p 1max.3wessgza. 5.11 基础环设计 表 5-9 基础环设计 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计（论文） 第 53 页 计算内容 计算数据及数据 裙座内径 ，isdm1800 裙座外径 ，o 218024180osiesd 基础环外径 ，b 3bi 基础环内径 ，i 5is 基础环伸出宽度 ， 1462obs 相邻两筋板最大外侧间 距 ，lm暂取 160 基础环面积 ，ba2 26.704bobiad 基础环截面系数 ，bz3 48.13iobz 最大质量 ，maxkg57157.21 操作质量 ，0 24119.76 0-0 截面的风弯矩 ，0wmn 83.01 0-0 截面最大弯矩 ，max 4.65 偏心弯矩 ，e 7.810 基础环材料的许用应力 ，bmpa4bmpa 水压试验时压应力 ，1b0max12.0bgza 操作时压应力 ，2ba ax2.3wb.8 取以上两者中较大值混凝土基础上的最大压 力 ，maxbmp3.28/l /0.912bl2a 2max648xbl 3bl 对 x 轴的弯矩 ，/n .5xm 对 y 轴的弯矩 ，ym/m 72.01y 取以上两者中大值计算力矩 ，s 13919.54 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计（论文） 第 54 页 有筋板时基础环厚度，m 经圆整取6139.542.0sbbm26b 具体结构尺寸应根据地脚螺栓的设计选取。 5.12 地脚螺栓计算 表 5-10 地脚螺栓计算 最小质量 ，minkg13103.08 操作质量 ，0 24119.76 0-0 截面的风弯矩 ，0wmn 83.01 底截面处地震弯矩 ，e . 偏心弯矩 ，em 7.8510 最大拉应力 ，1bpa min1webbbmgza = . 最大拉应力 ，2m= 0002.5eevbbbf.85 取以上两者中大值基础环中螺栓承受的最 大拉应力 ，bpa= 0 ，由于塔设备需要稳定支撑可设置地脚螺b. 栓 地脚螺栓个数 n 36 地脚螺栓材料的许用应 力 ，btma对 ，取235qa147btmpa 地脚螺栓腐蚀裕量 2c地脚螺栓取 23cm 地脚螺栓螺纹小径 1d612441.903.27bbtn 故取 地脚螺栓满足要求63m 5.13 校核结果 表 5-10 校核结果 塔体圆筒名义厚度 ，nm30（满足强度和稳定性要求） 塔体封头名义厚度 ，h30（满足强度和稳定性要求） 裙座圆筒名义厚度 ，en30（满足强度和稳定性要求） 基础环名义厚度 ，b18（满足强度和稳定性要求） 地脚螺栓数 36（满足强度和稳定性要求） 地脚螺栓公称直径 ，dm64（满足强度和稳定性要求） 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计（论文） 第 55 页 5.14 本章小结 前几章求得塔体的结构尺寸是否合理，需要在本章进行备进行强度、刚度和稳定性 校核，同时确定其他几个这样的结构参数，如地脚螺栓、基础环等。校核时需严格按照 标准执行，如果有校核不通过的情况，应对塔体进行再次设计。 6 塔设备的制造、安装及运输 6.1 塔设备制造要求 6.1.1 制造上的要求 对制造工艺要求的严格与否，须根据设备的压力高低、容积的大小、物料性质、温 度高低等因素进行综合考虑。通常，制造的难易主要取决于材料的加工性能、壁厚，以 及结构的复杂程度等因素。 6.1.1.1 材料检验 制造塔设备的材料，除应符合有关材料标准的规定外，还要符合图纸上的要求。由 于板材内部可能存在缺陷，须根据设备的容器分类、压力、温度、钢种与板厚等因素， 决定是否需逐张进行超声波检验。 6.1.1.2 冷热成形 钢板的弯卷加工，实际上是钢板在外力作用下，逐渐发生塑性变形的过程。变形程 度的大小，决定于弯曲半径和钢板的厚度。同样直径的简节、钢板越厚，或同样厚度的 筒节、弯曲半径越小，则钢板的变形程度就越大。钢板弯卷的变形程度，一般都不应超 过材料的临界变形程度(约 5%-10%)。否则在受热时，将引起金属材料的晶粒粗大和脆性 增加，降低了材料的力学性能 16。 6.1.2 制造与组装 高塔设备大都采用分段制造后交货，到现场组装。为了保证各筒节的组对质量，对 分段处的外圆周长公差应予控制。简节制造中，在几何尺寸上影响质量的主要是焊缝的 对口错边量、不圆度、棱角等。考虑到使用高强度钢时，随着屈强比的增加，塑性变形 范围缩小，调节局部峰值应力的幅度也相应缩小，因此，在可能情况下，应适当提高对 口错边量的要求。 对于分段的高塔，大都采用下述两种工艺制造 17： （1）与分段处相邻塔的支持圈、受液盘、降掖板的支持板均只点焊，以利现场组装 时焊接环焊缝。 （2）分段制造、分段检查、分段交货的塔体，任意 6m 长度内的筒体弯曲度不得大 于 6mm,当分段长度大于或等于 20m 时，除满足上述条件外，总长度上的弯曲度不得大于 18mm。塔分段的端面应开好坡口，其端面与塔体轴线应垂直，偏差不应大于 0.1%d，且不 超过 2mm。 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计（论文） 第 56 页 图 6-1 分段焊接坡口形状 6.1.3 焊接及其特点 焊接是化工设备制造中的主要手段。化工生产要求设备上所有的焊缝不但应严密牢 固，能承受相当高的压力和温度载荷，而且要求能抵抗物料的腐蚀。因此，设备的质量 除钢板本身的质量外，主要取决于焊接的质量。因为它将直接影响到塔设备的使用寿命 和安全运行。为此，焊接前应根据技术要求制定焊接工艺规程，并由考试合格的焊工施 焊。 对于大直径薄壁的高塔，当塔盘支持圈焊接到塔体上时，塔体发生局部的径向收缩。 另外，高度超过 20m 的塔，大多是分段出厂后，至现场拼接，也会发生焊缝的收缩。对 此，大多采用反向变形的措施后进行组焊。众所周知，对接焊缝的加强高度，是产生应 力集中的部位，加强的高度与应力集中成正比。在不影响焊缝强度的前提下，焊缝高度 应该力求与母材齐平。对接焊缝越宽、角焊缝的焊角高度越大，则线能量也越大，随之 母材越易产生过烧，进而使热影响区晶粒粗大，强度降低 17。 6.1.4 热处理 塔设备在制造过程中，必然带来下列问题:由于过量的冷卷、冷矫形等冷加工，所引 起的冷作硬化;由于施焊引起焊缝区组织、性能的变化;因焊接产生的残余应力以及因此 而导致应力腐蚀裂纹的产生和发展等。为了改善这些因素的影响，都需要进行热处理。 以消除和降低焊接残余应力，改善其焊缝接头区的塑性和韧性，恢复其因冷作和时效而 损失的机械性能，避免焊件产生裂纹。 对于大型的受压容器，随着壁厚的增加，发生脆性破坏的可能性也随着增加。这是 由于随着壁厚的增加，焊接残余应力的分布也更为复杂，即除沿焊缝和垂直焊缝方向存 在着内应力外，沿壁厚方向也存在内应力，也就是说存在着三向应力。这种不利的应力 状态是大厚度的焊接结构，在较低温度下产生低应力脆性破坏的原因之一。 焊前预热是防止碳钢、特别是低合金钢焊接裂纹最有效的方法，在厚壁容器焊接时， 显得更为重要，尤其是在刚性较大、散热较快的情况下，更应考虑预热。 焊后热处理原则上应整体进行，否则就采用分段处理，但重复加热的长度不得小干 1500mm。对于大型的高塔设备，因热处理能力所限或由于运输上的限制，而采取分段制 造、现场组焊时，焊后消除应力的热处理，只能就地解决。对于分段制造并经热处理的 塔段，组焊后可分别采用只对环缝做局部热处理和重新做整体热处理两种方法。 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计（论文） 第 57 页 6.2 大型塔设备的安装 塔设备在石油、化工生产中应用极广.其特点是外形简单、高度和重量大、内部构造 和工艺用途多种多样。因此，安装时应根据塔设备的构造、工艺用途等特点，采取相应 的安装方法。对于板式塔，在安装过程中，应保证塔内组装件相互位置的正确，其中最 重要的是保证塔盘安装的整体水平度。塔盘水平度的偏差取决于塔盘支持圈与塔体组焊 是否正确。 6.2.1 安装上的考虑 塔设备安装的施工工艺过程，主要包括:准备工作、吊装工作、校正工作和内部构件 的安装工作等。 塔设备的安装方法可分为分段吊装法和整体吊装法两类。 (1)分段吊装法是将分段的塔体起吊后，再组装成为一个整体。故对抱杆的要求较低， 但是这增加了现场高空作业的工作量。 (2)整体吊装法是先在地面上将塔设备组装成为一个卧置的整体，然后用抱杆将设备 一次起吊，并安装到基础上就位。 6.2.2 塔盘的安装 塔设备是一种用于两相间接触传质的设备，不仅要保证塔内组装件相互位置的正确， 更主要的是应保证塔盘安装的整体水平度。 (1)塔体就位并找正垂直度后，逐层安装塔盘，且及时校正塔盘的水平偏差，优点是 侧查、检查塔盘水平度比较方便。这种施工方法要求将内件从地面垂直运往各个人孔， 再转人塔内，所以高空作业多、劳动强度大、配合工种多、施工条件差，因而进度缓慢。 对于安装在室外的大塔，更因受日照的影响，会使测定的安装数据产生较大的误差。 （2）卧装塔盘比立装塔盘安全得多，基本上无高空作业，且可以分组同时安装，相 互间影响也不大。但卧装塔板时，测量数据的处理比较麻烦，既有塔体本身的挠曲影响， 又有日照的因素。 本设计中塔盘的安装采用卧式安装。塔体应在制造厂标出准确的中心线才能交货， 以便将此线和支持圈的基础环线作为测量塔内件的基准，塔盘的水平度可用直角尺和水 平仪来检查。 6.3 塔设备的运输 6.3.1 运输上的考虑 为了确保大型设备能顺利运抵安装现场，运输前应对路面的宽度、路基的密突程度、 转弯及沿途障碍物等，进行必要的调查。一般距路肩的距离不得少于 1m，对途经的桥梁 必须进行核算。运输的方法应依据施工机具的能力，可选用爬犁平地滑行、排子滚杠滚 动法和大型拖车运输等。不论采用什么方法运输，都不得超高(设备距高压电线的净距离 不得少于 2m,距低压电线不得少于 lm),否则，应采取停电或其他安全措施。在运输薄壁、 细长的设备或构件时，应采用适当的夹具或加固措施，以防产生永久变形。大型塔设备 卸车过程中，应防止偏重而造成的事故。 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计（论文） 第 58 页 6.3.2 铁路运输 本次设计的精馏塔采用铁路运输，这是由于目前压力容器的运输大都采用铁路运输， 大部分产品都不超限。为了防止运输条件受限制，本次设计中将塔体的圆筒分为三段， 分段制造后再运至现场。 7 总结 本次毕业设计的任务是完成题目为“年产 6 万吨的丙烯丙烷精馏塔设计”任务，要 求设计说明书不少于 60 页，精馏塔的零部件、装配图合计不少于 4 张 a0 图纸，现在设 计任务已经全面完成。 本次设计从前期查阅资料，写开题报告到中期的工艺、机械结构计算与设计，至最 后的校核并出图前后用时 3 个月,中间过程充满了工作的艰辛和紧张，更重要的是夯实基 础和学到知识带来的喜悦和充实。 在设计刚开始时，面对一个陌生的题目，我觉得应该先对丙烯精馏塔的特点要有个 基本认识，于是我从图书馆及网络下载大量资料开始浏览，事实证明这一点是对的。丙 烯精馏塔与其他常见的精馏塔有很大区别，丙烯精馏塔普遍很高，最高可达 90 米，采用 双溢溢流装置，实际中精馏塔的有关参数选取也与理论就算有较大区别，丙烯丙烷这两 种物质物性相近，相对挥发度低，必须采用高压操作，带来的设计难度也会加大，只有 先对其进行足够的了解才能在心中先做好铺垫，正确引导后续计算。精馏塔的设计在许 多设计参考书中都有实例，可以按部就班的进行参考计算，这样中期计算就有了大概思 路，但不是每个精馏塔的模拟计算都是一样的，还是应该以塔设备为标准。工艺计 算时，丙烯丙烷的相关物性参数不好查，又是高压下操作，数值的确定更加困难，根据 相关物性数据手册试着选取的数值在后面计算中往往被证明是错误的，这里我要感谢陈 英华老师，是她给我提供相关参数，使我的设计计算顺利进行。大学实习中我也见过精 馏塔，但是对于塔总体结构及各部件结构的了解不深，在结构设计时，遇到了很多问题， 特别是塔板结构及紧固件的设计及它们之间的连接形式，这与要认真的研究塔设备 中的参考图。最艰难的部分是全塔校核和图纸的绘制，本次设计塔体较高又是双溢流， 塔体分段和塔盘绘制较复杂。 通过本次毕业设计，我了解了丙烯精馏塔的工作方式及其内部构造，对精馏塔的现 状和前景也有一定了解。本设计锻炼了我的工程设计概念，培养了我的独立处理问题的 能力，提高我的绘图、查阅资料及各常用软件的应用能力。对以后的学习有很大帮助。 这次毕业设计也让我发现了自身的许多不足。首先是专业知识掌握的不够全面，不 够扎实。这次设计是不同方面的知识的大综合，许多知识是大学课程里已经学过的，而 运用这些知识解决问题时，我显得有些力不从心，需要不断翻阅课本，真是书到用时方 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计（论文） 第 59 页 恨少，在以后的学习工作中我一定会更严格要求自己，扎实学习。其次，做设计是对毅 力的考验，做事一定要认真，今日事今日毕，不可懒散懒惰。这次设计的经验与教训必 是以后学习生活中的一大财富。 在设计过程中，要注意理论计算与生产实际的密切结合，培养一种工程概念，不要 过于理论化；同时在满足工艺条件和实际生产要求的前提下，可以自己进行设计，不用 太拘泥于已有的模式和标准。例如塔板效率，一般情况下塔板效率为 70%就算是很高，通 常取 50%至 60%，本次设计取 80%是从工程实际选取，而通常丙烯精馏塔的效率理论模拟 时取 100%，塔板间距本次设计取 0.45m，与标准要求也有偏差，考虑到避免塔体过高， 取值应小于标准，但不能影响设备的正常工作。 风雨兼程，几个月下来我达到了毕业设计的预期目的要求，完成了大学最后一次大 设计，可以上交一份我满意的答卷了。 参考文献 1 姚玉英.化工原理m. 天津大学出版社，1999 2 魏兆灿，李宽宏等.塔设备m.上海：上海科技出版社， 1990 3 蔡纪宁，张秋翔.化工设备机械基础- 课程设计指导书m.北京：化学工业出版社，2000 4 刘乃鸿.现在塔器技术j.化学工程师.1991（05）： 28-30 5 景立新,吴大可. 气体分馏装置丙烯精馏塔操作条件的优化 j. 贵州工业大学学报:自然科学版, 2005, 34 (1) : 6467 6 董艳河，黄敏，王荣良.国外塔板技术的最新进展j. 过滤与分离.2003，13（1） 7 陈大昌，刘乃鸿.塔器分离技术进展j.上海化工.1992 （01） 8 夏清，陈常贵.化工原理 m.天津：天津大学出版社， 2007 9 贾绍义，柴诚敬.化工原理课程设计（化工传递与单元操作课程设计） m.天津：天津大学出版社， 2002，101-133 10 郑津洋，董其伍，桑芝富.过程设备设计m.北京：化学工业出版社， 2005 11申迎华，郝小刚.化工原理课程设计m.北京：化学工业出版社， 2009 12 汤善甫，朱思明.化工设备机械基础m.上海：华东理工大学出版社， 2004 13 化工设备设计全书委员会.塔设备设计m.上海：上海科学技术出版社， 1998 14gb/t986-1988.埋弧焊焊缝坡口的基本形式和尺寸 15 张晖，严绍锋.塔设备裙座高的的计算j.辽宁工学院学报 .2003，23（2）：43-55 16 全国压力容器标准化技术委员会.gb150-1998 .钢制压力容器.北京：中国标准出版社，1998 17 齐乐华，杨方，王俊波. 工程材料与机械制造基础m. 北京：高等教育出版社，2005 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计（论文） 第 60 页 附录 1：专题论文 新能源汽车的现状与发展 张飞飞 （中国矿业大学，过程装备与控制工程 08-2，江苏徐州，221116） 摘要: 汽车工业作为国家发展的支柱产业，面对能源危机与节能减排的压力，发展新能 源汽车刻不容缓。发展电动汽车是实现低碳交通，扭转因化石能源枯竭而进入困境的汽 车行业的一道曙光。本文介绍新能源汽车的发展现状和未来新能源汽车主流方向。 关键词 : 新能源汽车 纯电动汽车 替代燃料汽车 燃料电池电动汽车 混合动力汽车 什么是新能源汽车 新能源汽车生产企业及产品准入管理规则已于 2009 年 7 月 1 日正式实施， 规则 强调说明：新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源（或使用常规的车用燃 料、采用新型车载动力装置） ，综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术 原理先进、具有新技术、新结构的汽车。新能源汽车包括混合动力汽车（hev） 、纯电动 汽车（bev，包括太阳能汽车） 、燃料电池电动汽车（fcev） 、氢发动机汽车、其他新能 源（如高效储能器、二甲醚）汽车等各类别产品。据不完全统计，全世界现有超过 400 万辆液化石油气汽车，100 多万辆天然气汽车。中国市场上在售的新能源汽车都是混合动 力汽车，潜力较大发展较快的是纯电动汽车。 1. 新能源汽车的分类 新能源汽车包括混合动力汽车（hev） 、纯电动汽车（bev，包括太阳能汽车） 、燃 料电池电动汽车（fcev ） 、氢发动机汽车、其他新能源（如高效储能器、二甲醚）汽车 等各类别产品。 1.1 混合动力汽车（hev） 混合动力是指那些采用传统燃料的，同时配以一定容量的储能器件和电动发动机来改 善低速动力输出和燃油消耗的车型。按照燃料种类的不同，主要又可以分为汽油混合动 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计（论文） 第 61 页 力和柴油混合动力两种。相比传统发 动机 油耗 大为 降低, 同时减少污染物排放。各大 汽车公司 普遍 认为 它投 资少、选 择余地 大、容易 达到 未来排放标准和节能目标, 而且市场配套较为简便,消费者在观念上也容易接受, 因此纷纷将很多的力量投入研制开 发。目前国内市场上，混合动力车辆的主流都是汽油混合动力，而国际市场上柴油混合 动力车型发展也很快。 1.2 燃料电池电动汽车（fcev） 燃料电池汽车是指以氢气、甲醇等为燃料，通过化学反应产生电流，依靠电机驱动的 汽车。其电池的能量是通过氢气和氧气的化学作用，而不是经过燃烧，直接变成电能或 的。燃料电池的化学反应过程不会产生有害产物，因此燃料电池车辆是无污染汽车，燃 料电池的能量转换效率比内燃机要高 23 倍，因此从能源的利用和环境保护方面，燃料 电池汽车是一种理想的车辆。单个的燃料电池必须结合成燃料电池组，以便获得必需的 动力，满足车辆使用的要求。 近几年来，燃料电池技术已经取得了重大的进展。世界著名汽车制造厂，如戴姆勒 克莱斯勒、福特、丰田和通用汽车公司已经宣布，计划在 2004 年以前将燃料电池汽车投 向市场。目前，燃料电池轿车的样车正在进行试验，以燃料电池为动力的运输大客车在 北美的几个城市中正在进行示范项目。在开发燃料电池汽车中仍然存在着技术性挑战， 如燃料电池组的一体化，提高商业化电动汽车燃料处理器和辅助部汽车制造厂都在朝着 集成部件和减少部件成本的方向努力，并已取得了显著的进步。 1.3 纯电动汽车（bev，包括太阳能汽车） 电动汽车顾名思义就是主要采用电力驱动的汽车，大部分车辆直接采用电机驱动， 有一部分车辆把电动机装在发动机舱内，也有一部分直接以车轮作为四台电动机的转子， 其难点在于电力储存技术。本身不排放污染大气的有害气体，即使按所耗电量换算为发 电厂的排放，除硫和微粒外，其它污染物也显著减少，由于电厂大多建于远离人口密集 的城市，对人类伤害较少，而且电厂是固定不动的，集中的排放，清除各种有害排放物 较容易，也已有了相关技术。由于电力可以从多种一次能源获得，如煤、核能、水力、 风力、光、热等，解除人们对石油资源日见枯竭的担心。电动汽车还可以充分利用晚间 用电低谷时富余的电力充电，使发电设备日夜都能充分利用，大大提高其经济效益。有 关研究表明，同样的原油经过粗炼，送至电厂发电，经充入电池，再由电池驱动汽车， 其能量利用效率比经过精炼变为汽油，再经汽油机驱动汽车高，因此有利于节约能源和 减少二氧化碳的排量，正是这些优点，使电动汽车的研究和应用成为汽车工业的一个 “热点” 。有专家认为，对于电动车而言，目前最大的障碍就是基础设施建设以及价格影 响了产业化的进程，与混合动力相比，电动车更需要基础设施的配套，而这不是一家企 业能解决的，需要各企业联合起来与当地政府部门一起建设，才会有大规模推广的机会。 1.4 替代燃料汽车 替代燃料汽车, 是指特性和成分接近现有汽车燃料的非石油提炼的液态碳氢化合物 ( 液化石油气 ) 、气态碳氢化合物 ( 压缩天然气 ) , 醇类燃料甲醇、乙醇、二甲醚、以及 生物柴油等, 废气排放量一般都较低。 1.4.1 燃气汽车 近年来，世界上各国政府都积极寻求解决这一难题，开始纷纷调整汽车燃料结构。燃 气汽车由于其排放性能好，可调正汽车燃料结构，运行成本低、技术成熟、安全可靠， 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计（论文） 第 62 页 所以被世界各国公认为当前最理想的替代燃料汽车。目前，燃气仍然是世界汽车代用燃 料的主流，在我国代用燃料汽车中占到 90%左右。美国的目标是，到 2010 年，公共汽车 领域有 7%的汽车使用天然气，50%的出租车和班车改为专用天然气的汽车；到 2010 年， 德国天然气汽车数量将达到 10 万至 40 万辆，加气站将由目前的 180 座增加到至少 300 座。据不完全统计, 全世界已经有 四百多万辆的液化石油气汽车、一百多万辆天然 气汽 车。目前巴西乙醇汽油中的酒精比例是世界上最高的, 达到 25% 左右。 业内专家指出，替代燃料的作用是减轻并最终消除由于石油供应紧张带来的各种压力 以及对经济发展产生的负面影响。近期，中国仍将主要用压缩天然气、液化气、乙醇汽 油作汽车的替代燃料。汽车代用燃料能否扩大应用，取决于中国替代燃料的资源、分布、 可利用情况，替代燃料生产与应用技术的成熟程度以及减少对环境污染等；替代燃料的 生产规模、投资、生产成本、价格决定着其与石油燃料的竞争力；汽车生产结构与设计 改进必须与燃料相适应。 1.4.2 生物乙醇汽车 乙醇俗称酒精，通俗些说，使用乙醇为燃料的汽车，也可叫酒精汽车。用乙醇代替石 油燃料的活动历史已经很长，无论是从生产上和应用上的技术都已经很成熟，近来由于 石油资源紧张，汽车能源多元化趋向加剧，乙醇汽车又提到议事日程。 目前世界上已有 40 多个国家，不同程度应用乙醇汽车，有的已达到较大规模的推广， 乙醇汽车的地位日益提升。在汽车上使用乙醇，可以提高燃料的辛烷值，增加氧含量， 使汽车缸内燃烧更完全，可以降低尾气的害物的排放。 乙醇汽车的燃料应用方式：一、掺烧，指乙醇和汽油掺合应用。在混合燃料中，乙醇 和容积比例以“e”表示，如乙醇占 10%，15%，则用 e10，e15 来表示，目前，掺烧占 乙醇汽车占主要地位。二、纯烧，即单烧乙醇，可用 e100%表示，目前应用并不多，属 于试行阶段；三、变性燃料乙醇，指乙醇脱水后，再添加变性剂而生成的乙醇，这也是 属于试验应用阶步；四、灵活燃料，指燃料既可用汽油，又可以使用乙醇或甲醇与汽油 比例混合的燃料，还可以用氢气，并随时可以切换。如福特，丰田汽车均在试验灵活燃 料汽车（ffv） 2. 发展新能源汽车的必要性 我国是发展中的大国，人口众多，经济的快速发展导致对能源生产和消费需求的迅速 增长，致使温室气体排放潜力巨大。目前我国温室气体排放总量位居世界第二 ，2008 年我国汽车的碳排放高达 4.5 亿吨，按照现在汽车的增长速度，到 2020 年汽车保有量 将从现在的 6000 多万辆增加到 1.5 亿辆，以 2008 年汽油消耗 5100 万吨为基准进行 测算，到 2020 年汽车的碳排量将高达 10 亿吨，届时将超过美国 1990 年的排放量成为 世界第一的 co2 排放大国。由此可见，我国当前减排压力艰巨。 另据有关数据显示， 交通工具是目前造成全球变暖的主要原因。近 10 年，全球二氧化碳排放总量增加了 13，而源自交通工具的碳排放增长率高达 25，预计到 2050 年，全球交通工具碳排 放将比目前增长 30到 50 。交通运输全社会石油消费比重不断上升，已成为最大 的石油消耗部门。交通用油对能源产生巨大的压力。下图显示了我国自 1990 年以来对石 油的需求情况。 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计（论文） 第 63 页 图 2 19902005 年我国石油对外依存度变化 上图 显示，2004 年我国的石油对外依存度达到近十年的最大值 47.5%。至 2010 年， 这一数值将达到 57%。这意味着，我国石油的“自主 ”权大部分不在自己手中，国家能源 安全面临严重的威胁。在我国，汽车行业占石油消费量的 1/3 以上，因此，转型交通能 源动力系统是摆脱石油依赖以及降低二氧化碳排放的重要途径，能有效地解决交通工具 造成的能源危机与温室气体排放问题。 综上所述，中国汽车业在低碳经济的背景下面临 转型的需要，建设发展新能源汽车产业，开发新型的低碳和脱碳能源，实现低碳交通， 是低碳经济发展与汽车行业可持续发展的重要领域，对我国迈向产业强国的战略目标有 重要的现实意义。我国人均占有能源为世界人均值的 1 /7, 美国的 1 /10 。从节约能源的 角度出发, 改变汽车以消耗汽油和柴油为主的耗 能方式, 已日益受到社会的关注。 2004 年, 我国机动车消耗的石油占全国石油总消费的 1 / 3 以上, 预计到 2010 年、2020 年机 动车燃油需求分别占当年石油总消费的 43% 和 57% 。汽车将成为造成 石油消耗增长 的主要因素。 预计在未来 30 年中, 世界机动车保有量将从目前的 7 亿辆左右增加到 10 亿辆以上, 我国的汽车保有量也在 2010 年 将超过 6650 万辆, 部 分大城市的环境污染已日趋明显。 我国的汽车法规已制定了相当于欧 iii 标准的国家机动车污染 物排放标准第三阶段的限 值, 并有于 2007 年 7 月开始实施。我国的汽车燃油经济性和排放标准总体目标是: 到 2010 年实现与国际控制水平同步。本世纪前 20 年是中国经济社会发展的重 要战略机遇 期, 同时也将面临许多新的重要变化 和挑战。按照 十六大 提出的全面建设小康社会的 目标, 到 2020 年中国实现经济翻两番, 届时中国的人均 gdp 将超过 1 万美元。根据国 际经验, 这一时期是汽车化社会发展的关键时期, 表现为 经济结构、城市化水平和居民 消费结构发生明显 变化。随着人民生 活水平的 提高和 消费结 构的 升级, 能源的需求 结构将发生重大变化, 尤其是车用能源需求的增长率将高于同期全社会和工业部门的增速, 加上中国的特殊国情, 以及经济全球化和环境保护日盛的国际背景, 中国面对的能源情 况要比发达国家曾经历的时期要复杂得多。 所以研发推广新能源汽车刻不容缓。 3. 新能源汽车的现状 7 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计（论文） 第 64 页 中国新能源汽车产业始于 21 世纪初。2001 年，新能源汽车研究项目被列入国家“十 五”期间的“863”重大科技课题，并规划了以汽油车为起点，向氢动力车目标挺进的战 略。 “十一五”以来，我国提出“节能和新能源汽车”战略，政府高度关注新能源汽车的 研发和产业化。2008 年，新能源汽车在国内已呈全面出击之势。2008 年成为我国“新能 源汽车元年” 。2008 年 1-12 月新能源汽车的销量增长主要是乘用车的增长，1-12 月新能 源乘用车销售 899 台，同比增长 117%，而商用车的新能源车共销售 1536 台，1-12 月同 比下滑 17%。 2009 年，在密集的扶持政策出台背景下，我国新能源汽车驶入快速发展轨 道。虽然新能源汽车在中国汽车市场的比重依然微乎其微，但它在中国商用车市场上的 增长潜力已开始释放。2009 年 1-11 月，新能源乘用车销量同比下降 61.96%，至 310 辆。 2009 年 1-11 月，新能源商用车主要是液化石油气客车、液化天然气客车、混合动力 客车等销量同比增长 178.98%，至 4034 辆。相比在乘用车市场的冷遇， “新能源汽车” 在中国商用车市场已开始迅猛增长。 2010 年，我国正加大对新能源汽车的扶持力度， 2010 年 6 月 1 日起，国家在上海、长春、深圳、杭州、合肥等 5 个城市启动私人购买新 能源汽车补贴试点工作。2010 年 7 月，国家将十城千辆节能与新能源汽车示范推广试点 城市由 20 个增至 25 个。新能源汽车正进入全面政策扶持阶段。在能源和环保的压力下， 新能源汽车无疑将成为未来汽车的发展方向。 “十二五”期间，我国新能源汽车将正式迈 入产业化发展阶段：2011-2015 年开始进入产业化阶段，在全社会推广新能源城市客车、 混合动力轿车、小型电动车。 “十三五”期间即 2016-2020 年，我国将进一步普及新能源 汽车、多能源混合动力车，插电式电动轿车，氢燃料电池轿车将逐步进入普通家庭。 09 年 2 月，财政部、科技部、发改委、工信部等四部委召开“节能与新能源汽车示 范推广试点会议” 。由于一些城市积极申请参与，参与“十城千辆”计划的城市名单目前 已经增至 13 个，北京、上海等城市入选。新能源汽车长度 10 米以上的城市公交客车是 当时补贴的重点，其中混合动力客车每辆最高补贴 42 万元，纯电动和燃料电池客车每辆 分别补贴 50 万元和 60 万元。 “这个试点收效非常好，已经推广了数千辆新能源汽车，今 年打算扩大试点，并在部分城市启动个人购买新能源汽车的试点。 ” 财政部和工信部在 全国“两会”期间同时表示，个人购买新能源汽车将实行购置补贴。财政部对混合动力 汽车的补贴按照节油率分为五档补贴标准，最高每辆车补贴 5 万元;纯电动汽车每辆可补 贴 6 万元;燃料电池汽车每辆补贴 25 万元。十米以上城市公交客车另有标准，其中混合动 力汽车分为使用铅酸电池和使用镍氢电池、锂离子电池两类，最高补贴额分别为 8 万元/ 辆和 42 万元/辆;纯电动汽车补贴标准为 50 万元/辆; 燃料电池汽车的补贴标准最高为 60 万 元/辆。2010 年 6 月，财政部等多部委联合发布 关于开展私人购买新能源汽车补贴试点 的通知 ，确定在上海、长春、深圳、杭州、合肥等 5 个城市启动私人购买新能源汽车补 贴试点工作。 通知明确，中央财政对试点城市私人购买、登记注册和使用的插电式混 合动力乘用车和纯电动乘用车给予一次性补贴。补贴标准根据动力电池组能量确定，对 满足支持条件的新能源汽车，按 3000 元/千瓦时给予补贴。插电式混合动力乘用车每辆最 高补贴 5 万元，纯电动乘用车每辆最高补贴 6 万元。 4. 新能源汽车的优缺点 混合动力汽车的优点是：1、采用混合动力后可按平均需用的功率来确定内燃机的最 大功率，此时处于油耗低、污染少的最优工况下工作。需要大功率内燃机功率不足时， 由电池来补充；负荷少时，富余的功率可发电给电池充电，由于内燃机可持续工作，电 池又可以不断得到充电，故其行程和普通汽车一样。2、因为有了电池， 可以十分方便 地回收制动时、下坡时、怠速时的能量。3、在繁华市区，可关停内燃机，由电池单独驱 动，实现“零”排放。4、有了内燃机可以十分方便地解决耗能大的空调、取暖、除霜等 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计（论文） 第 65 页 纯电动汽车遇到的难题。5、可以利用现有的加油站加油，不必再投资。6、可让电池保 持在良好的工作状态，不发生过充、过放，延长其使用寿命，降低成本。缺点: 有两套动 力，再加上两套动力的管理控制系统，