苯-甲苯连续精馏塔的设计毕业论文.doc

本科生毕业设计（论文）苯-甲苯连续精馏塔的设计毕业论文目 录第1章 绪 论11.1塔设备的作用和地位11.2塔设备工作原理11.3塔设备的分类及结构11.4对塔设备的要求31.5塔设备的用材31.6塔设备的选型3第2章方案确定与塔设备的估价52.1塔设备的选型52.2基本参数的确定62.2.1设计压力62.2.2进料状态62.2.3加热剂和加热状态62.3塔设备的估价条件和投资价格估计6第3章 工艺设计计算113.1物料衡算113.2常压下苯-甲苯气液平衡组成与温度的关系123.3最小回流比的确定153.4适宜回流比R和理论塔板层数的确定163.5塔板效率和实际塔板层数的确定173.5.1塔板效率的确定173.5.2实际塔板数的确定183.5.3进料板位置的确定183.6工艺尺寸的确定193.6.1物料参数的确定193.6.2液相平均粘度计算213.6.3液相平均密度计算223.6.4液体平均表面张力计算233.7气相液相页面的计算253.7.1气相负荷253.7.2液相负荷263.8工艺尺寸的计算及流体力学验算283.8.1精馏段的设计计算28第4章 机械设计计算434.1选择塔体材料434.2塔体壁厚与封头壁厚454.2.1塔体壁厚454.2.2封头壁厚464.2.3确定裙座壁厚474.3各种载荷的计算474.3.1塔体重量474.3.2内件质量载荷474.3.3保温层质量载荷474.3.4平台扶梯重量484.3.5物料重量484.3.6附件重量484.3.7充水质量484.4塔体自振周期的计算494.5风载荷与风弯距的计算504.5.1风载荷的计算504.5.2风弯距的计算514.6地震载荷及地震弯矩的计算524.7塔体稳定性与强度校核544.8塔体水压试验应力验算564.8.1最大危险截面抗拉应力564.8.2水压试验稳定验算564.9裙座验算574.9.1计算塔设备的基底截面574.9.2计算裙座上人孔处的截面584.9.3计算塔体与裙座连接焊缝处的截面594.10基础环设计594.10.1选取基础环的直径594.10.2混凝土基础强度校核604.10.3基础环厚度的设计614.11基础螺栓设计624.12焊缝结构的设计624.13塔顶振幅及由卡曼涡街引出的横向诱发振动的计算及校核634.13.1塔的自振周期634.14开孔补强计算644.14.1确定接管壁厚直径654.14.2确定接管实际壁厚和有效补强宽度及外侧补强高度654.14.3计算需要补强的金属面积664.14.4确定补强形式674.14.5确定补强范围674.15法兰的选型及校核674.15.1法兰的选型684.15.2法兰的校核71第5章 总体结构设计735.1塔设备的选择735.2塔盘结构的选择735.3降液管及受液盘的选择745.3.1降液管的选择745.3.2受液盘的选择745.4溢流堰及进口堰755.5裙座结构的选择755.6进料装置的结构75第6章 塔设备的制造要求76参考文献77致谢78附录79III第1章 绪 论1.1塔设备的作用和地位塔设备是化工、石油化工和炼油等生产中最重要的设备之一。它使气液或液液两相之间进行紧密接触，达到相际传质和传热的目的。可在塔设备中完成的常见的单元操作有：精馏、吸收、解吸、和萃取等。此外，工业气体的冷却与回收、气体的湿法净制和干燥，以及兼有气液两相传质和传热的增湿、减湿。在化工、石油、炼油厂中，塔设备的性能对于整个装置的产品产量、产品质量、生产能力和消耗定额以及三废处理和环境保护等方面具有重大影响。1.2塔设备工作原理 操作时，塔内液体依靠重力作用，由上层塔板的降液管流到下层塔板的受液盘，然后横向流过塔板，从另一侧的降液管流至下一层塔板。浮阀塔盘操作时气液流程和泡罩塔相似；蒸汽自阀孔上升，顶开阀片，穿过环形缝隙，以水平方向吹入液层，形成泡沫。浮阀能够随着气速的增减在相当宽广的气速范围内自由调节、升降，以保持稳定操作。在浮阀关闭阀孔时，它能使浮阀与塔板间保留一小的间隙，同时，小定距片还能保证阀片停在塔板上与其他点接触，避免阀片粘在塔板上而无法上浮。阀片四周向下倾斜，且有锐边，增加了气体进入液层的湍动作用，有利于气液传质。一般而论，板式塔的空塔速度较高，因而生产能力较大，塔板效率稳定，操作弹性大，且造价低，检修、清洗方便，故工业上应用较为广泛。1.3塔设备的分类及结构塔设备按塔内结构分为板式塔和填料塔两大类，在板式塔中，塔内装有一定数量的塔盘，气体以鼓泡或喷射的形式穿过塔盘上的液层使两相密切接触，进行传质。在填料塔中，塔内装填一定段数和一定高度的填料层，液体沿着填料表面形成膜状向下流动，作为连续相的气体自下而上的流动，与液体逆流传质。塔设备的构件，除了种类繁多的各种内件外，其余构件则大致相同。1.塔体：塔体是塔设备的外壳。2.塔体支座：塔体支座是塔体安放到基础上的连接部分。3.除沫器：除沫器用于捕集夹带在气流中的液体。4.接管：接管用以连接工艺管路，把塔设备与相关设备相连。5.人孔和手孔：人孔和手孔是为了安装、检修和装填填料的需要而设置。6.吊耳：吊耳用于塔设备的运输与安装。7.吊柱：塔顶设置吊柱，在安装和检修时，方便塔内件的运输。板式塔又可分为两类：一类是有降液管的塔板，如泡罩、浮阀、筛板、舌形塔板等：另一类是无降液管的塔板。其中有降液管的浮阀塔广泛应用于精馏、吸收和解吸等过程，其工作原理是塔板的开孔上装有可浮动的浮阀，气流从浮阀周边以稳定的速度水平的进入塔板上液层进行两相接触，浮阀可根据气流的大小而上下浮动，自行调节。 浮阀塔之所以广泛应用，是由于它具有如下优点：1.处理能力大，浮阀在塔盘上可安排的比泡罩塔更紧凑。因此浮阀塔盘的生产能力可比圆形泡罩塔提高很多。2.操作弹性大，浮阀可在一定范围内自由升降以适应气量的变化，而气缝的速度几乎不变，所以能在较宽的流量范围内保持高效率。3.塔板效率高，由于气液接触状态良好，且蒸汽以水平向吹入液层，故液沫夹带较少。因此塔板效率较高。4.压力降小，气流通过浮阀时，只有一次收缩、扩大及转弯，故干板压力降比泡罩塔低。塔设备的结构如下所示：1吊柱； 2气体出口；3回流液入口； 4精馏段塔盘；5壳体； 6人孔；7料液进口； 8提馏段塔盘；9气体入口； 10裙座；11釜液出口； 12出入口1.4对塔设备的要求作为主要用于传质过程的塔设备，首先必须使气液两相充分接触，以获得较高的传质效率。此外，为了满足工业生产要求的需要，塔设备还得考虑下列各项要求：1.生产能力大。2.操作稳定、弹性大。3.流体流动的阻力小，即流体通过塔设备的压力降小。4.结构简单、材料耗用量小、制造和安装容易。5.耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。事实上，对于现有的任何一种塔型，都不可能完全满足上述的所有要求，仅是在某些方面具有独到之处。人们对于高效率、大生产能力、稳定操作和低压力降的追求，推动着塔设备新结构形式的不断出现和发展。1.5塔设备的用材塔设备与其他化工设备一样，至于室外、无框架的自制承式塔体，绝大多数是采用钢制造的。这是因为钢材具有足够的强度和塑性，制造性能较好，设计制造的经验也较成熟。特别是大型的塔设备中，钢材更具有无法比拟的优点，因而被广泛应用。有些场合为了满足腐蚀性介质或低温等特殊要求，采用有色金属材料或非金属耐腐蚀材料，也为了减少有色金属的耗用量而采用渗铝、镀银等措施，或采用钢壳衬砌、衬涂非金属材料的，用这类材料制造的塔设备，塔径一般都不大，当尺寸稍大时，就得在塔外用钢架结构加强，此外，这些材料在制造、运输、安装等方面都各有特点，在设计时还应参阅其他有关资料，认真加以考虑。1.6塔设备的选型填料塔和板式塔均可用于蒸馏、吸收、等气液传质过程，但两者之间进行比较及合理选择必须考虑多方面因素，如与被处理物料性质、操作条件和塔的加工、维修等方面有关因素等。现将填料塔与板式塔的比较列于下表：表1 填料塔与板式塔的比较塔型项目填料塔板式塔压降小尺寸填料，压降较大，而大尺寸填料及规整填料，则压降较小。较大空塔气速小尺寸填料气速较小，大尺寸填料及规整填料则气速较大。较大塔效率传统的填料，效率较低，而新型乱堆及规整填料则塔效率较高。较稳定、效率较高液气比对液体量有一定要求适用范围较大持液量较小较大安装、检修较难较容易材质金属及非金属材料均可一般使用金属造价新型填料，投资较大大直径时造价较低下列情况优先选用板式塔：(1)塔内液体滞液量较大，要求的负荷变化范围较宽，对进料浓度变化要求不敏感，要求操作易于稳定；(2)塔内负荷较小；(3)含固体颗类、容易结垢、有结晶的物料；下列情况优先选用填料塔：(1)在分离程度要求高的情况下，因某些新型填料具有高的传质效率，故可采用新型填料以为降低高度；(2)对于热敏性物料的蒸馏分离，因新型填料的持液量较小，压降下，故可有限选择真空操作下的填料塔；(4)具有腐蚀的物料，可选择填料塔；(5)容易发泡的物料，宜选用填料塔。本次设计对塔设备的要求：塔内液体滞液量较大，要求的负荷变化范围较宽，对进料浓度变化要求不敏感，要求操作易于稳定，塔内负荷较小，塔板效率要高，压力降要小，处理量要大，所以选用筛板塔。 第2章方案确定与塔设备的估价投资组成是建设一个工厂或生产装置，并使之投入生产和运行下去所需要的资金。投资有固定资本和流动资本两个部分组成，就设计而言，主要是对固定资本的经济技术分析与评价。2.1塔设备的选型板式塔的种类很多，通常按板式塔的结构分为：泡罩塔、浮阀塔、筛板塔等。 泡罩塔 泡罩塔是工业应用最早的板式塔，其优点是：操作弹性大，因而在负荷波动较大时，仍能保持塔的稳定操作及较高的分离效率；气液比的范围大，不易堵塞等。其缺点是：结构复杂，造价高，气相压降大以及安装维修麻烦等。目前，只是在某些情况下，如生产能力变化大，操作稳定性要求高，要求有相当稳定的分离能力等要求时，可考虑使用泡罩塔。 浮阀塔浮阀塔是当今应用最广泛的塔型之一，其优点是：处理能力大，浮阀在塔盘上可安排的比泡罩塔更紧凑。因此浮阀塔盘的生产能力可比圆形泡罩塔提高很多；操作弹性大，浮阀可在一定范围内自由升降以适应气量的变化，而气缝的速度几乎不变，所以能在较宽的流量范围内保持高效率；塔板效率高，由于气液接触状态良好，且蒸汽以水平向吹入液层，故液沫夹带较少。因此塔板效率较高；压力降小，气流通过浮阀时，只有一次收缩、扩大及转弯，故干板压力降比泡罩塔低。其缺点是: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。筛板塔筛板塔也是应用历史较久的塔型之一，与泡罩塔相比，筛板塔结构简单，成本低，安装维修方便，这使筛板塔成为应用较广的一种塔型。本次设计塔设备的选择：塔内液体滞液量较大，要求的负荷变化范围较宽，对进料浓度变化要求不敏感，要求操作易于稳定，塔内负荷较小，塔板效率要高，压力降要小，处理量要大，所以选用筛板塔。2.2基本参数的确定2.2.1设计压力设计压力是压力容器的设计载荷条件之一，其值不得低于最高工作压力，而最高工作压力是指容器顶部在正常工作过程中可能产生的最高表压。对于盛装液化气体的容器，由于容器内介质压力为液化气体的饱和蒸汽压，在规定的范围内，与体积无关，仅取决于温度的变化，故设计压力与周围大气环境温度密切相关。此外，还要考虑容器外壁是否有保温设施，可靠的保温措施能有效地保证容器内温度不受大气环境温度的影响，即设计压力应根据工作条件下可能达到的最高金属温度确定。所以对于盛装液化气体的容器在介质50时饱和蒸汽压大于1.62MPa时，设计压力取2.16MPa，本塔在50时饱和蒸汽压为13.25MPa大于1.62MPa，所以本塔设计压力取2.16MPa。2.2.2进料状态 进料状态有饱和蒸汽加料、气液混合物加料、泡点加料、冷液加料、过热蒸汽加料。根据本次设计的工艺要求，选取进料状态为饱和蒸汽加料。2.2.3加热剂和加热状态 料液预热和精馏釜的加热，通常利用饱和蒸汽作为加热剂，原因是由于它潜热大，温度便于调节，价格低廉等优点。 加热方式可分为间接加热和直接加热。本次设计为了避免加热蒸汽冷凝产生的冷凝水和所蒸馏的物料混合，塔底设再沸器采用间接加热方式。2.3塔设备的估价条件和投资价格估计塔设备的估价条件单元设备价格是各种估算方法的基础单元设备价格最可靠的来源是直接从制造厂商那里获得报价，但要得到装置全部设备的报价需要花费很大的经费，而且在可行性研究或方案比较阶段。设备设计尚未开始，还不具备向制造厂商询价的条件，这时可用单元设备价格估算的方法得到设备价格，其精度能满足可行性研究和方案比较的需要，单元设备价格估算的基本方法是先根据设备的特性参数，对容器而言是设备质量，对热交换器是传热面积，对泵而言是功率，决定设备的基准价格，然后根据不同的材质、形式、和压力等因素加以校正。塔设备的投资价格估计塔设备的质量式中：筒体长度与封头两边直边长度和，称为切线长度，m；设备内径，m；材料密度， ;厚度，根据容器的受压情况和风载荷不同，不同；（1）需要塔体的壁厚承受内压所需的壁厚式中： E焊缝隙数，取0.85； S内需用压力，MPa；（2）考虑载荷需要的壁厚 （3）压力容器的总的按下式计算： 式中： 筒体基准价格； 平台扶梯价格；本设备为16万吨/年苯甲苯精馏塔，塔径1.5m，内有浮阀塔板28块，塔体切线高度，压力1.70Mpa。塔体材料为16MnR，筛板18-8不锈钢，风速63m/s。估算价格如下：a：塔体的壁厚承受内压所需的壁厚 承受风压所需的壁厚 当有风载荷时，设备的环向焊缝必须同时承受风载的作用，所以壁厚应按照下列式计算：设备壁厚对于立式容器，假设容器上部不考虑风载荷，则可用下式求得： =0.00612+0.0036=0.00972m取=0.01m，腐蚀裕量=0.003m，因为20所以塔板的价格= = =65848美元 第3章 工艺设计计算 3.1物料衡算由已知的工艺流程可知，苯-甲苯精馏塔顶分离出甲苯 苯等组分，根据产品质量控制指标，塔顶组分，塔底组分，故可确定轻关键组分为。查参考文献2可知，两关键组分为相邻组分，且挥发度相差较大，可近似认为比轻的非关键组分全在塔顶，比重的非关键组分都在塔底，故符合清晰分割条件。( 1 )摩尔分率： （2）原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 （3）物料衡算 原料处理量总物料衡算232.991=DW 苯物料衡算 联立解得 D99.537 kmolh W=133.454 kmolh式中 F-原料液流量 D-塔顶产品量 W-塔底产品量3.2常压下苯-甲苯气液平衡组成与温度的关系塔的进料压为常压进料，进料状态为饱和进料（q=1）由苯和甲苯饱和蒸汽压数据可知（表1）：tF: tF=93.69tD: tD =80.54tW: tW=108.41精馏段的平均温度： = =87.115提镏段的平均温度： 时的x1及y1时的x2及y2表1常压下苯甲苯的气液平衡数据温度t液相中苯的摩尔分率x气相中苯的摩尔分率y110.560.000.00109.911.002.50108.793.007.11107.615.0011.2105.0510.020.8102.7915.029.4100.7520.037.298.8425.044.297.1330.050.795.5835.056.694.0940.061.992.6945.066.791.4050.071.390.1155.075.580.8060.079.187.6365.082.586.5270.085.785.4475.088.584.4080.091.283.3385.093.682.2590.095.981.1195.098.080.6697.098.880.2199.099.6180.01100.0100.03.3最小回流比的确定由Antoine:-在温度T时的饱和蒸汽压，mmHgT-温度，KA,B,C-Antoine常数（见表2）表2 苯甲苯物性数据AB C甲苯16.0137 3096.5253.67苯 15.9008 2788.5152.36塔顶温度下 进料温度下:塔釜温度下：全塔平均相对挥发度：最小回流比确定。由泡点进料时则有： 故最小回流比为最小理论板数的确定由参考文献2公式9-124 式中： 所以 3.4适宜回流比R和理论塔板层数的确定由参考文献2知R=（1.1-2.0）将1.1-2.0九个数代入上式，利用文献2中，吉利兰图对应的值，将计算结果列入表3-9中：表3-9 适宜汇流比R和理论塔板数R=（1.1-2）R塔板层数R=1.11.6170.0560.57519.54R=1.21.7640.1060.51016.68R=1.31.9110.1510.48015.61R=1.42.0580.1920.44814.585R=1.52.2050.2290.4214.784R=1.62.3520.260.40513.41R=1.72.4990.2940.3812.766R=1.82.6460.3220.3612.304R=1.92.7930.3490.3311.664R=2.02.940.3730.3111.268以R=1.1为例，求：R=1.1=1.1查参考文献2图9-36的吉利兰图求得=19.54由表3-9可知，当R=1.5， =14比较合适，若再增大，虽减小但幅度不大，操作费用上升。故R=1.5=2.205取=14块3.5塔板效率和实际塔板层数的确定3.5.1塔板效率的确定因为已知塔顶温度为80.54，塔釜温度为109.41所以全塔平均温度为94.98，由表3液体的粘度数据表采用内插法求得：全塔平均温度下苯甲苯的粘度分别为：表3 液体粘度 温度()8090100110120苯（mP.s）甲苯（mP.s）0.3080.3110.2790.2860.2550.2640.2330.2540.2150.228: : 平均粘度由公式得：全塔效率：3.5.2实际塔板数的确定精馏段实际板层数=7/0.52=13.4614（块）,提馏段实际板层数=7/0.52=13.4614（块）全塔总板数N=28(块)进料板在第15块板3.5.3进料板位置的确定精馏段理论板数由参考文献2式9-124即：前已查得： 所以=7=14块，取整为14块所以加料板为塔顶往下的第14层塔板。3.6工艺尺寸的确定3.6.1物料参数的确定（1）操作压力计算 塔顶操作压力 4+101.3=105.3kPa每层塔板压降 P0.7 kPa进料板压力105.30.78110.9kPa塔底操作压力=105.3+0.727=124.2kPa精馏段平均压力 P m （105.3110.9）2107.75 kPa提馏段平均压力P m =（110.9+124.2）/2 =117.2 kPa（2）操作温度计算 依据操作压力，由泡点方程通过试差法计算出泡点温度，其中苯、甲苯的饱和蒸气压由安托尼方程计算，计算过程略。计算结果如下：塔顶温度80.54进料板温度93.169 塔底温度=109.41精馏段平均温度=（80.54+93.169）/2 =86.85提馏段平均温度=（93.169+109.41）/2 =101.29（3）平均摩尔质量计算塔顶平均摩尔质量计算 由xD=y1=0.983,代入平衡方程得x1=0.959进料板平均摩尔质量计算 由上面理论板的算法，得0.66， 0.44塔底平均摩尔质量计算由, 代入平衡方程得=0.082精馏段平均摩尔质量 提馏段平均摩尔质量3.6.2液相平均粘度计算液相平均粘度依下式计算，即 lgLm=xilgi通过表9液相平均粘度数据表采用内插法求得：表9 液体粘度 温度()8090100110120苯（mP.s）甲苯（mP.s）0.3080.3110.2790.2860.2550.2640.2330.2540.2150.228塔顶液相平均粘度的计算 由tD80.54，采用内插法得：塔顶液相平均粘度为：进料板液相平均粘度的计算 ：由tF93.169，采用内插法得：进料板液相平均粘度为：塔底液相平均粘度的计算 :由tW109.41，采用内插法得：塔底液相平均粘度为：精馏段液相平均粘度为 :提馏段液相平均粘度为 :3.6.3液相平均密度计算液相平均密度依下式计算，即 通过表7液体的密度数据表采用内插法求得不同温度下纯液体的密度：表7 纯组分的液相密度 温度()8090100110120苯,kg/甲苯,kg/814809805801791791778780763768塔顶液相平均密度的计算 由tD80.54，采用内插法： 塔顶液相的平均密度：同理进料板液相平均密度的计算 由tF93.169，采用内插法：进料板液相的平均密度：塔底液相平均密度的计算 由108.41，采用内插法：塔底液相的平均密度: 精馏段液相平均密度为 提馏段液相平均密度为3.6.4液体平均表面张力计算液相平均表面张力依下式计算，即 通过表8纯组分的表面张力数据表采用内插法求得不同温度下的表面张力：表8 纯组分的表面张力 温度8090100110120苯，mN/m甲苯，Mn/m21.221.72020.618.819.517.518.416.217.3塔顶液相平均表面张力的计算 由 tD80.54，采用内插法得： 塔顶液相平均表面张力：同理进料板液相平均表面张力的计算 由tF93.169，采用内插法得： 进料板液相平均表面张力：塔底液相平均表面张力的计算 ：由 109.41，采用内插法得：塔底液相平均表面张力:精馏段液相平均表面张力为 :提馏段液相平均表面张力为 ：3.7气相液相页面的计算3.7.1气相负荷精馏段气相负荷精馏段上升蒸汽摩尔流量有参考文献2式9-35知：式中： V 上升蒸汽流量 L塔内下降液体流量D馏出液流量所以V=（R+1）D =(2.2+1) =318.518精馏段上升蒸汽平均分子量 所以精馏段上升蒸汽体积流量提馏段气相负荷提馏段上升蒸汽摩尔流量由前面计算可知：V=318.518q=1F=232.991 所以=V=318.518提馏段上升蒸汽平均分子量：所以提馏段上升蒸汽体积流量3.7.2液相负荷精馏段液相负荷精馏段下降液体摩尔流量：L=RD=精馏段下降液体平均分子量：精馏段中的下降液体的密度由表3-18可得所以，精馏段中下降液体的体积流量：提馏段液相负荷 提馏段下降液体的摩尔流量：已知L=219.479+1=提馏段下降液体的平均分子量： 提馏段下降液体的密度：所以，提馏段中下降液体的体积流量：表3-20 工艺计算数据汇总表工 艺 条 件位 置精 馏 段提 馏 段操作压力MPa107.75117.2操作温度86.85101.29液体黏度气体密度10.95212.35表面张力20.5319.15液相密度375.7443.7回流比2.205进料压力MPa110.2进料温度93.169气相流量318.518318.5182275.42360.1280.6320.656液相流量219.479452.4721.30952.4540.005920.0145713.8工艺尺寸的计算及流体力学验算3.8.1精馏段的设计计算1塔板工艺尺寸的计算及校核（1）塔径D求塔径应先求空塔气速u：而：u=（0.6-0.8）式中：极限空塔气速，m/s;由参考文献2知：式中：C负荷系数；由表3-20中数据： =805.85kg/=10.952 kg/0.632由参考文献4表2-12，取板间距由参考文献1取，所以，由参考文献1关联图可查出值。图中横坐标为：根据以上数据查得：=0.070由参考文献210-28得：式中：物系表面张力为20mN/m；C操作物系的负荷系数；操作物的液体表面张力，N/m；由表3-20查得：=20.53所以：C=0.058=0.0704则又因为u=(0.6-0.8) 对于大直径，大板间距的塔及加压或常压操作的塔，以及不易起泡的物质，可取较高的安全系数。，所以取u=0.60则塔径D=圆整取D=1.5m，则实际气速为塔截面积：空塔气速（2）溢流装置因塔径小于2.2m，采用单溢流弓形降液管，不设进口堰。1）堰长对于单溢流，一般取为：（0.6-0.8）D所以取堰长为=0.8D=2）出口堰高由参考文献2式10-18知=式中：板上液层高度，m；堰高，m；堰上液层高度，m；采用平直堰，堰上液层高度，可用参考文献2式10-34计算=式中：塔内液体流量，堰长，m.E液流收缩系数；由参考文献4查图10-48得 该图横坐标查得E=1.0所以堰上液层高度m所以3）弓形降液管宽度和截面积由参考文献2图10-40查和横坐标所以： 已知D=1.5m则：由参考文献2式10-7知降液管液体停留时间：降液管截面积应保证液体在降液管中停留时间充足，使溢流液中夹带的气泡能够及时分离，为此液体在降液管内停留时间不小于35秒，因停留时间，所以降液管尺寸合适。4)降液管低隙高度由参考文献2式10-11知：式中：液体通过降液管底隙的流速，m/s，根据经验一般取=0.070.25。所以=（3）塔板布置 塔板的分块 因D800mm，故塔板采用分块式。查表得，塔极分为4块。精馏段：a)取边缘区宽度Wc=0.035m(3050mm),安定区宽度，（当D1.5m时，Ws=6075mmb)依公式：计算开空区面积得：，c)筛孔数与开孔率：取筛空的孔径为，正三角形排列，一般碳的板厚为,取，故孔中心距筛孔数：（个） 则开孔率（在515范围内） 则每层板上的开孔面积为气体通过筛孔的气速为提馏段：a)取边缘区宽度Wc=0.035m(3050mm),安定区宽度，（当D1.5m时，Ws=6075mmb)依公式：计算开空区面积得：，c)筛孔数与开孔率：取筛空的孔径为，正三角形排列，一般碳的板厚为,取，故孔中心距筛孔数：（个） 则开孔率（在515范围内） 则每层板上的开孔面积为气体通过筛孔的气速为。2塔板流体力学计算塔板的流体力学计算，目的在于验算预选的塔板参数是否能维持塔的正常操作，以便决定对有关塔板参数进行必要的调整，最后还要作出塔板负荷性能图。(1) 气体通过筛板压强相当的液柱高度精馏段：a)干板压降相当的液柱高度：依，查干筛孔的流量系数图得，C0=0.772 由式b)气体穿过板上液层压降相当的液柱高度：，由与关联图查得板上液层充气系数=0.61，依式c)克服液体表面张力压降相当的液柱高度：依式故则气体通过每层塔板的单板压降：所以设计符合要求(2) 液面落差 对于筛板塔，液面落差很小，且本例的塔径和液流量均不大，故可忽略液面落差的影响。 (3) 液沫夹带故在设计负荷下不会发生过量雾沫夹带。(4) 漏液由式筛板的稳定性系数，故在设计负荷下不会产生过量漏液。(5) 液泛为防止降液管液泛的发生，应使降液管中清液层高度依式， 而H=0.2408+0.0366+0.006=0.2834m液柱因为苯-甲苯属于一般物系，所以取，则故在设计负荷下不会发生液泛。根据以上塔板的各项液体力学验算，可认为精馏段塔径及各项工艺尺寸是适合的。提馏段：a)干板压降相当的液柱高度：依，查干筛孔的流量系数图得，C0=0.78由式b)气体穿过板上液层压降相当的液柱高度：， 由与关联图查得板上液层充气系数=0.61，依式c)克服液体表面张力压降相当的液柱高度：依式， 故则气体通过每层塔板的单板压降：(设计允许)(2) 液面落差 对于筛板塔，液面落差很小，且本例的塔径和液流量均不大，故可忽略液面落差的影响。(3) 液沫夹带 故在设计负荷下不会发生过量雾沫夹带。(4) 漏液由式筛板的稳定性系数，故在设计负荷下不会产生过量漏液。(5) 液泛为防止降液管液泛的发生，应使降液管中清液层高度依式， 而H=0.28368+0.06+0.00553=0.30921m液柱取，则故在设计负荷下不会发生液泛。根据以上塔板的各项液体力学验算，可认为提馏段塔径及各项工艺尺寸是适合的。3塔板负荷性能图（精馏段：漏液线 由=3.1 ，=0.0161得整理得： 在操作范围内，任取几个Ls值，依上式计算出Vs值，计算结果列于下表。 Ls /(m3/s) 0.0030.0040.0050.006Vs /(m3/s)0.4840.4910.5020.510由上表数据即可作出漏液线1。 (2) 液沫夹带线 以 ev0.1kg液/kg气为限，求 Vs-Ls关系如下：由 =0.006联立以上几式，整理得在操作范围内，任取几个Ls值，依上式计算出Vs值，计算结果列于下表。 Ls /(m3/s) 0.0030.0040.0050.006Vs /(m3/s)1.6561.5991.5471.498由上表数据即可作出液沫夹带线2。 (3)液相负荷下限线 对于平直堰，取堰上液层高度hOW0.006m作为最小液体负荷标准。由公式得据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线3。(4)液相负荷上限线 以4s作为液体在降液管中停留时间的下限 据此可作出与气体流量元关的垂直液相负荷上限线4。 (5) 液泛线令 由联立得忽略h，将hOW与Ls，hd与Ls，hc与Vs的关系式代人上式，并整理得: 代入相关数据：在操作范围内，任取几个Ls值，依上式计算出Vs值，计算结果列于下表。 Ls /(m3/s) 0.0030.0040.0050.006Vs /(m3/s)1.6041.5561.5061.454由上表数据即可作出液泛线5。 根据以上各线方程，可作出筛板塔的负荷性能图，如图所示。 图2 精馏段筛板负荷性能图 在负荷性能图上，作出操作点A，连接OA，即作出操作线。由图可看出，该筛板的操作上限为液泛控制，下限为漏液控制。由上图查得 Vs,max=1.524m3/s Vs,min=0.461 m3/s故操作弹性为 Vs,max / Vs,min=3.31所设计筛板的主要结果汇总于表。 将所有结果列入表3-23中：表3-23 精馏段设计数据汇总表项目数目及说明备注塔径D,m1.5板间距,m0.4塔板类型单溢流弓形降液管分块式塔盘空塔气速u,m/s0.132堰长，m1.225堰高，m0.0439板上液层高度，m0.06降液管底隙高度，m0.0247筛孔数N2440等边三角形叉排筛孔动能因数1.383临界筛孔气速，m/s13.67孔心距t,m0.015指同一横排的孔心距排间距，m0.1指相邻两横排的中心线距离单板压降1.7液体在降液管内的停留时间，s4降液管内液层高度m0.30921气相负荷上限线1.524液泛控制气相负荷下限线0.461漏液控制泛点率%67.06%操作弹性3.31第4章 机械设计计算机械设计条件塔径D,mm1500塔高H，mm23000最高工作压力（绝压）MPa1.70工作温度，100介质苯-甲苯基本风压 ，Pa400地震裂度（度）7保温层厚度，mm100场地类型注：塔高H=23000mm4.1选择塔体材料过程设备大多使用在石油化工、造纸、医药、食品、农药等行业，这些行业种类多，各类产品生产的工艺过程不相同，工作条件多种多样，加之近年来石油化工、核能、宇航等工业的不断发展，工艺过程向高温、高压、低温和超低温开拓，因此对过程装备材料的选择应全方位、多方面考虑。过程装备大多使用在具有单系列连续生产特点的生产过程，整个生产过程又有许多不同功能的过程装备组成不同的系列单元，由系列单元组成大系统的整体，其中任一台装备或构件失效，整个生产过程都要受到影响。通常要根据材料的使用性能、工艺要求和经济性来合理选择材料。材料的使用性能，它是指材料在过程装备及其构件（零件）工作过程中所应具有的性能，包括材料的力学性能、化学性能和物理性能，这些性能是选材的主要依据。然而不同的构件要求的使用性能是不同的。材料的加工工艺性能是指在保证构件质量的前提下，加工材料的难易程度，任何构件都要经过一定加工工艺制造出来，过程装备材料常用加工工艺是压力加工、机加工、铸造、焊接和热处理等，尤其是焊接和热处理，不仅用此工艺的构件多，而且焊接结构失效的几率高，当然焊接结构失效不完全由焊接工艺决定，但它与选材、设计及焊后有无进行有效的热处理密切相关，因此选材时也必须考虑材料的加工工艺性能。好的加工工艺性能，不仅要求工艺简单、容易加工、能源消耗少、材料利用率高，加工质量（变形小、尺寸精度高、表面光洁、组织均匀致密等），而且包括加工之后的构件在使用时有好的使用性能。在满足构件使用性能，加工工艺要求的前提下，材料的综合经济性也是必须要考虑的主要因素，选材的经济性不只是选材的价格，还要考虑构件生产的总成本，把材料费用同构件加工、制造、安装、检验、维修、更换及装备寿命等结合起来考虑，进行总费用的选择，选材同时考虑材料来源容易和符合国家的资源政策也是很重要的。在满足了以上要求之后，还要充分考虑介质的特性，介质特性主要是介质的组成 、浓度和PH等，介质通常与构件材料以界面形式直接接触的，因此主要考虑的是材料的腐蚀性和耐磨性，腐蚀性的组分种类不同，含量不同，对材料的腐蚀性也不同；并且化工过程装备大多处理流动介质，当介质包含有固体颗粒或有很高的流速时，它会在构件的表面产生冲刷、涡旋和湍流等现象，引起材料严重冲击、磨损，这时又要求材料有足够的耐磨性。压力容器常用的材料有如下几种：1. Q235AF：容器设计压力P0.6MPa；钢板使用温度为0250；用于壳体时，钢板厚度不大于12mm；不得用于易燃介质以及毒性程度为中度、高度或极度危害介质的压力容器。2. Q235A：容器设计压力P1.0MPa；使用温度在0350；壳体厚度小于16mm。不得用于盛装液化石油气介质以及毒性程度为高度或极度危害介质。3. Q235B：容器设计压力P1.6MPa；钢板使用温度在0350；不得用于毒性程度为高度或极度危害介质的压力容器。4. 16MnR：属强度用钢，是345MPa的低合金钢，具有良好的机械性能、焊接性能、工艺性能及低温冲击韧性。中温及低温的机械性能均优于Q235A、15、20等碳素钢，使用温度在40475的场合，在石油化工设备、锅炉、压力容器中广泛使用。5. 0Cr18Ni9：它属于188型奥氏体不锈钢耐酸钢，抗高温氧化性能好、良好的塑性、韧性、冷加工性，在氧化性酸和大气、水、蒸汽等介质中耐酸性亦佳。此钢有较好的冷变形性能，可以进行弯曲、卷边等工序，但冷作硬化能力很强，对冷变形量大的工序，则需进行一次中间热处理，焊接性能良好，可以进行各种方法的焊接。是在化工、原子能、食品设备中应用最广泛的不锈钢和耐热钢，除制作壳体外，还可作设备衬里、容器法兰衬环、紧固件、金属密封垫。已知最高工作压力为1.70MPa，工作温度为 100属于常温，介质轻微腐蚀。在刚度或结构设计为主的场合，应尽量选择普通碳素钢。在强度设计为主的场合，应根据压力，温度，介质等使用限制，根据上述16MnR的使用条件，故选用16MnR为塔体材料；裙座，基础环，螺栓材料根据经验选用Q235-A。4.2塔体壁厚与封头壁厚4.2.1塔体壁厚由参考文献6式2-91式中：盛装液化气体的容器在介质50时饱和蒸汽压大于1.62MPa时，设计压力取2.16MPa，本塔在50时饱和蒸汽压为13.25