4500吨年对叔丁基苯酚生产项目精馏塔I设计毕业论文.docx

4500吨/年对叔丁基苯酚生产项目精馏塔I设计毕业论文目录第一章初步设计条件11.1概述11.2设计条件与物性参数11.2.1设计条件11.2.2物性数据2第二章模拟计算4第三章设计方法说明63.1综述63.2塔设备的工艺设计63.2.1塔径的计算63.2.2填料层高度计算及分段83.2.3填料层压降计算83.2.4塔高的计算93.3塔设备的结构设计93.3.1填料支承装置93.3.2填料压紧装置103.3.3液体分布装置与液体收集及再分布装置103.3.4除沫器113.3.5裙座113.3.6接管113.3.7人孔123.3.8法兰设计123.3.9保温层设计123.3.10吊耳153.4塔设备的强度设计和稳定校核153.4.1塔壁和封头壁厚设计153.4.2质量载荷计算163.4.3自振周期计算173.4.4风载荷和风弯矩的计算173.4.5地震设计193.4.6偏心弯矩计算223.4.7塔体的强度与稳定校核223.4.8裙座的计算24第四章过程控制274.1控制方案概述274.2 管道仪表流程图284.3开停工方案294.3.1精馏塔开车方案294.3.2精馏塔停车方案29第五章敏感性技术分析315.1回流比对产品浓度影响的灵敏度分析315.2进料温度对产品浓度影响的灵敏度分析315.3进料位置对产品浓度影响的灵敏度分析325.4回流比对釜液产量影响的灵敏度分析32第六章安全、环境因素分析346.1安全、环境因素分析346.2 HAZOP分析34参考文献37附录计算举例381.FUG法计算Aspen软件模拟参数382.塔径计算393.填料层高度计算及分段404.填料层压降计算415.塔内件及附属设备设计416.法兰设计447.保温层设计458.塔高计算469.塔壁和封头壁厚设计计算4610.质量载荷计算4711.自振周期计算4812.风载荷和风弯矩的计算4813.地震设计4914.塔体的强度与稳定校核4915.裙座的计算513第一章 初步设计条件1.1 概述本项目为年产4500吨对叔丁基苯酚工艺设计，本文设计精馏工段精馏塔I设备，用于将反应工序所得烷化液进行初步精制，塔顶产品为前馏分（包括苯酚、邻叔丁基苯酚和少量的对叔丁基苯酚），该前馏分可返回反应工序继续进行反应；塔底馏分为对叔丁基苯酚和重馏分，该馏分经进料泵送至精馏塔II的中部继续精制以获得对叔丁基苯酚产品。根据可行性研究报告结论，本设备应采用连续精馏形式，塔设备型式选用填料塔，塔内填料使用CY700金属丝网波纹规整填料，回流方式为内回流，分布器采用槽盘式分布器。选定轻关键组分为邻叔丁基苯酚，重关键组分为对叔丁基苯酚，由于混合叔丁基苯酚物系熔点、沸点高，热稳定性差，合并操作温度因素，采用减压精馏，塔顶操作压力为-0.098MPa(G)。1.2 设计要求与物性参数1.2.1 设计要求对本设备设计选取轻关键组分为邻叔丁基苯酚，重关键组分为对叔丁基苯酚，设计对叔丁基苯酚一次收率99.5%，总物料衡算结果如下表所示。表1-1 精馏塔I物料衡算结果No.组分F/ (kg/h)D1/ (kg/h)D1/ (wt %)W1/ (kg/h)W1/ (wt %)1苯酚130.208130.20856.385002邻叔丁基苯酚(LK)64.58364.26127.8270.3230.0403对叔丁基苯酚(HK)729.16736.45815.788692.70885.44242,6-二叔丁基苯酚1.042001.0420.12852,4-二叔丁基苯酚110.41700110.41713.61962,4,6-三叔丁基苯酚6.250006.2500.771总计1041.667230.927100.000810.7401001.2.2 物性数据表1-3基础物性数据表名称分子量密度（kg/m3）熔点/沸点/汽化热（kJ/mol）760mmHg20mmHg异丁烯56.11588-140.3-6.945.6苯酚94.11105943.0181.485.345.6邻叔丁基苯酚150.22978-5.6224.1115.549.3对叔丁基苯酚150.2290899.5239.5130.450.62,6-二叔丁基苯酚206.3392339.0253.0137.050.92,4-二叔丁基苯酚206.3390856.5264.0146.050.72,4,6-三叔丁基苯酚262.44864131.0278.0158.0安托尼方程：饱和蒸汽压，mmHg温度，K表1-4安托尼常数表名称ABC苯酚16.433490.9-98.59邻叔丁基苯酚22.549068.375.90对叔丁基苯酚22.739533.679.412,6-二叔丁基苯酚22.049355.981.272,4-二叔丁基苯酚22.109640.084.072,4,6-三叔丁基苯酚22.3010015.086.73第二章 模拟计算设定回收率条件，用FUG法计算得到回流比、理论板数和组分分配等数据（计算过程列于附录中），利用Aspen Plus软件进行精馏塔I模拟计算，选用NRTL作为物性计算方法。使用RadFrac模型进行严格计算。使用Vary-Design功能优化计算得出理论板数、馏出量、回流比等初步设计参数，并将该初步设计数据作为进一步设计的依据。模拟计算结果如下：操作回流比：3.2理论板数：25进料板序号：7塔顶温度：93.0塔釜温度：142.8馏出液流量：201.4kg/h釜液流量：840.2kg/h表2-1 各组分塔顶与塔釜回收率名称塔顶回收率塔釜回收率邻叔丁基苯酚0.99057830.009421692,6-二叔丁基苯酚0.006463280.993536722,4-二叔丁基苯酚0.000410090.999589912,4,6-三叔丁基苯酚4.3344e-050.99995666苯酚13.4075e-15对叔丁基苯酚0.009880560.99011944表2-2 进出流股数据项目进料流股塔顶流股塔釜流股Total Flow（kmol/h）7.231441.857618475.37382106Total Flow（kg/h）1041.667201.440013840.226661Temperature（C）134.592.9698821142.824419Pressure（kPa）101.33.34.02质量分数苯酚0.1250.646387535.2805e-16邻叔丁基苯酚0.0620.317587540.00072419对叔丁基苯酚0.70.035765360.859246862,6-二叔丁基苯酚0.0013.3422e-050.001231732,4-二叔丁基苯酚0.1060.000224780.131359072,4,6-三叔丁基苯酚0.0061.3448e-060.00743814摩尔分数苯酚0.191321690.744787528.7728e-16邻叔丁基苯酚0.059452200.229258220.00075376对叔丁基苯酚0.671232030.025817990.894338312,6-二叔丁基苯酚0.000698131.7566e-050.000933392,4-二叔丁基苯酚0.074002680.000118140.099543042,4,6-三叔丁基苯酚0.003293255.5567e-070.00443147表2-3 塔顶、进料、塔釜数据项目液相密度气相密度液相质量流量气相质量流量液相粘度液相体积流量气相体积流量kg/m3kg/ m3kg/hkg/hmPasm3/sm3/s塔顶85.20.11561016.7846.0480.2260.0033142.032进料286.70.14362510.2939.8060.8810.0024321.818塔底458.50.1786840.21530.1861.0170.0005092.380第三章 设计方法说明3.1 综述由Aspen软件模拟结果得到塔板数、回流比、馏出量等重要工艺设计参数，作为填料塔详细工艺设计计算依据，计算项目包括塔的工艺设计和塔的机械设计，机械设计是在工艺设计的基础上进行。塔的工艺设计计算项目包括塔径、塔高、填料层高度及分段要求等。塔的机械设计计算项目包括塔设备的强度设计和稳定校核及塔设备的结构设计。塔设备的强度设计和稳定校核一般应包括如下内容：(1) 按设计压力和设计温度确定塔体的壁厚；(2) 根据塔设备设置地区，考虑其风载荷和地震载荷；(3) 按照不同工况下多种载荷联合作用的情况对塔设备各处应力加以控制；(4) 按不同工况下的载荷，计算地脚螺栓座各部分几何尺寸；(5) 当塔设备筒节采用法兰连接时，还应计算设备法兰的当量压力；(6) 必要时计算由管道推力或悬挂重物在塔体上引起的局部应力；塔设备的结构设计包括塔体及附件的结构设计和塔内件的结构设计，3.2 塔设备的工艺设计3.2.1 塔径的计算1填料塔的直径是根据适宜的空塔气速与气相体积流量，按下式求出：式中气相体积流量由Aspen软件模拟结果给定，由此可见，计算塔径的核心问题是确定空塔气速。(1) 空塔气速的确定确定空塔气速的方法包括泛点气速法、气相动能因子（F因子）法及气相负荷因子（Cs因子）法。这里选用泛点气速法来确定空塔气速。泛点气速是填料塔操作气速的上限，填料塔的操作空塔气速必须小于泛点气速，操作空塔气速与泛点气速之比称为泛点率。对于规整填料，其泛点率的经验值为泛点率的选择主要考虑填料塔的操作压力和物系的发泡程度两方面的因素。由于本设备为减压操作，应取较低的泛点率。填料的泛点气速可用贝恩(Bain)霍根(Hougen)关联式进行计算，即式中泛点气速，m/s；重力加速度，9.81 m/s2；填料总比表面积，m2/m3；填料层空隙率，m3/m3；、气相、液相密度，kg/m3；液体粘度，mPas；、液相、气相的质量流量，kg/h；、关联常数。本设备采用规整填料CY700金属丝网波纹填料，其关联常数、的值分别为0.30和1.75。由贝恩(Bain)霍根(Hougen)关联式得到泛点气速，再乘以泛点率即得空塔气速。(2) 塔径的计算与圆整用气相体积流量以及空塔气速可计算得到塔径。计算出塔径后，还应该按塔径系列标准进行圆整。圆整后，再核算操作空塔气速与泛点率。(3) 液体喷淋密度的验算填料塔的液体喷淋密度是指单位时间、单位塔截面上液体的喷淋量，其计算式为式中液体喷淋密度，m3/(m2h)；液体喷淋量，m3/h；填料塔直径，m。为使填料能获得良好的润湿，塔内液体喷淋量应不低于某一极限值，此极限值称为最小喷淋密度，以表示。对于规整填料，其最小喷淋密度可从有关填料手册中查得，设计中，通常取。实际操作时采用的液体喷淋密度应大于最小喷淋密度。若采用的液体喷淋密度小于最小喷淋密度，则需进行调整，重新计算塔径。3.2.2 填料层高度计算及分段1采用等板高度法计算填料层高度的基本公式为(1) 理论板数的计算理论板数由Aspen软件模拟结果得出。(2) 等板高度的计算等板高度与许多因素有关，不仅取决于填料的类型和尺寸，而且受系统物性、操作条件及设备尺寸的影响。填料在一定条件下的值可从有关填料手册中查得。计算出填料层高度以后，还应留出一定的安全系数。根据设计经验，填料层的设计高度一般为式中设计时的填料高度，m；工艺计算得到的填料层高度，m；(3) 填料层的分段塔内液体沿填料层流动的过程中，有逐渐向塔壁方向集中的趋势，形成壁流效应，造成填料层气液分布不均匀，使传质效率降低。为避免这一现象，在设计中，每隔一定的填料层高度，需要将填料层分段，设置液体收集再分布装置，使液体重新分布。对于规整填料，填料层分段高度可以按下式确定：式中规整填料分段高度，m；规整填料的等板高度，m。3.2.3 填料层压降计算1填料层压降通常由单位高度填料层的压降表示。设计时，根据有关参数，由通用关联图（或压降曲线）先求得每米填料层的压降值，然后再乘以填料层高度，即得出填料层的压力降。规整填料的压降通常关联成以下形式式中每米填料层高度的压力降，Pa/m；空塔气速，m/s；气体密度，kg/m3；、关联式参数，可从有关填料手册中查得。或可从有关填料手册中查规整填料压降曲线（曲线）得到。3.2.4 塔高的计算2填料塔的高度，包括填料层高度，喷淋装置、再分布器、气液进出口所需的高度，底部及顶部空间高度、人孔高度以及支座高度等部分。填料塔的塔主体高度即填料层高度；塔的顶部空间高度一般取1.21.5m，顶部空间内可设置除沫装置；塔的底部空间高度要根据釜液流量及塔径求得，以保证釜液的停留时间在35min；支座高度由釜液出口管尺寸以及与出料管相连的再沸器或出料泵高度确定。3.3 塔设备的结构设计233.3.1 填料支承装置填料支承装置的作用是支承塔内填料，对保证填料塔的操作性具有重大作用。纵使填料本身的通过能力很大，如果支撑装置设计不当，液泛仍将提前到来，使塔的生产能力降低。因此设计合理的支承结构是非常重要的。对填料支承装置的基本要求是：有足够的强度以支承填料的重量；提供足够大的自由截面。，尽量减小气液两相的流动阻力；有利于液体的再分布；耐腐蚀性能好；便于用各种材料制造以及安装拆卸方便等。早期的填料支承板采用多孔板结构，经改进后，采用焊接圆环支承板、金属网支承板及常用的栅板结构。对于规整填料，通常选用栅板型支承装置，本设备选用格栅板作为填料支承装置。格栅板是用扁钢条和扁钢圈焊接而成，结构简单、制造方便，自由截面较大、金属耗用量较小，而得到较普遍的应用。设计时为防止在填料支承装置处压降过大甚至发生液泛，要求填料支承装置的自由截面积应大于75%。格栅板的结构尺寸需根据下列因素确定：塔径、填料层高度、格栅板加工制造及安装拆卸。塔径较小时采用整块式格栅板，塔径较大时宜用分块式格栅板。对于分块式格栅板，每块宽度为300400mm，重量不超过700N，一边从人孔进行拆卸。不管是否分块，均需将格栅板搁置在焊接于塔壁的支持圈。对于塔径D900mm的栅板，当介质温度250时，栅板使用Q235-A或Q235-AF钢制造时，能支承的填料层高度与塔径有关。扁钢圈高度一般取栅条高度的2/3。此外，各分块之间的间距改用定距环保证，以便于格栅板的装拆。对于栅条要进行强度校核，来确定其厚度等尺寸。栅板条的强度计算，系取其组成栅板较长的栅板条作为强度计算的对象，计算方法是略去填料对于塔壁的摩擦阻力，将栅板条作为受均布载荷的简支梁来计算。3.3.2 填料压紧装置为防止在上升气流的作用下填料床层发生松动或跳动，需在填料层上方设置填料压紧装置。填料压紧装置包括填料压板和床层限制板两种，根据不同的填料材质来选用，对陶瓷填料需安装填料压板，对金属或塑料填料需安装床层限制板。在结构上填料压紧装置有压紧栅板、压紧网板、属压紧器等不同类型。对于本设备所采用的CY700金属丝网波纹规整填料，应采用栅板型床层限制板，但由于波纹填料表面平整，可用座框把液体分布装置直接放置在填料表面上，从而既免受气流干扰，又可省去床层限制板。3.3.3 液体分布装置与液体收集及再分布装置填料塔在操作时，在任一横截面上，保证气液的均匀分布都是十分重要的。对于任一装填完毕的填料塔，气速的分布是否均匀，主要取决于液体分布的均匀程度。实际上，液体初始不良分布，相当于损失了一段填料高度。因此，液体在塔顶的初始均匀喷淋，是保证填料塔达到预期分离效果的重要条件。为了使液体初始分布均匀，原则上应增加单位面积上的喷淋点数。但由于结构的限制，不可能将喷淋点设计的很多。同时，如果喷淋点数过多，势必每一股液流的流量过小，也难以保证均匀分配。不同的填料对液体均匀分布的要求也有差别。波纹填料效率较高，故对液体均布要求也较苛刻，可依波纹填料的效率高低及液量大小，按每2050cm3塔截面设置一个喷淋点。任何程度的壁流都会降低效率，因此在靠近塔壁的10%塔径区域内，所分布流量不应超过总液量的10%。液体分布装置的安装位置，通常须高于填料层表面150300mm。以提供足够的自由空间，让上升气流不受约束地穿过。但对于本设备，由于波纹填料精馏塔在真空下操作，喷淋密度小，又要有足够的喷淋点数，以致每股液流流量很小，又因真空操作时气速高，细股的喷淋液流会受上升气流的干扰，无规则地洒在填料层表面上，影响了初始均匀分布。因此可利用波纹填料表面平整的特性，用座框把分布装置直接放置在填料表面上，从而既免受气流干扰，又可省去床层限制板。液体分布装置种类多样，有喷头式、盘式、管式、槽式及槽盘式等。工业应用以管式、槽式、槽盘式为主。其中槽盘式分布器兼有集液、分液及分气三种作用，结构紧凑，气液分布均匀，阻力较小，操作弹性高达10:1，适用于各种液体喷淋量。本设备即采用槽盘式液体分布器，不仅可用于初始液体分布，还可作为液体收集及再分布装置，依据可拆型槽盘气液分布器标准HG/T 21585.11998进行设计，选用型号为HG/T 21585.11998 LL09SI。3.3.4 除沫器当空塔气速较大，塔顶溅液现象严重，以及工艺过程不允许出塔气体夹带雾滴的情况下，设置除沫器，可减少液体的夹带损失，确保气体的纯度，保证后续设备的正常操作。常用的除沫装置有折板除沫器、丝网除沫器以及旋流板除沫器等。其中，丝网除沫器具有比表面积大，重量轻，空隙率大以及使用方便等优点。尤其是它具有除沫效率高，压力降小的特点，从而成为一种广泛使用的除沫装置。除沫器型式一般是根据所分离的液滴直径、要求的捕沫效率及给定的压力降来确定。本设备选用丝网除沫器，依据丝网除沫器标准（HG/T 216181998）进行设计。3.3.5 裙座塔体常用裙座支承，裙座结构有两种型式，一般为圆筒形，当需增加裙座筒体断面积惯性矩或者需减小混凝土基础顶面的正应力时，采用圆锥形。裙座较其他支座的结构性能好，连接处产生的局部应力也最小，是塔设备的主要支座形式。本设备裙座选用圆筒形支座结构；裙座材料选用Q235-A；裙座与塔体的连接采用焊接，焊接接头采用对接型式，裙座筒体外径与塔釜封头的外径相等，连接焊缝采用全焊透的连续焊，且与塔釜封头外壁圆滑过渡；地脚螺栓座采用外螺栓座结构，共设12个地脚螺栓。3.3.6 接管根据各个接管所在位置、通过的物料状态的不同，设定不同的允许流速（或通过工程经验公式估算），在已知流量要求的条件下即可求得接管管径。接管长度按照下表确定：表3-1接管长度h/mm公称直径DN不保温接管长保温设备接管长适用公称压力PN/MPa15801304.020501001501.6703501502001.6705001.0釜液从塔底流出时，会形成漩涡使塔釜液面不稳定，且能带走气体，故在塔釜液出口管前装设防涡流挡板，如下图所示。图3-1 防涡流挡板3.3.7 人孔人孔是安装或检修人员进出塔器的唯一通道。对于直径大于800mm的填料塔，人孔设于每段填料层的上、下方，同时兼作填料装卸孔用。在气液进出口等需经常维修清理的部位，应设人孔，在塔顶和塔釜，也各设置一个人孔。塔体上宜于采用垂直吊盖人孔，但个别有碍操作处可采用回转盖人孔。人孔开在立面时，在塔釜内部应设置手柄（但人孔和底封头切线之间距离小于1m或手柄有碍内件时，可不设置）。填料塔内应设填料挡板，借以保护人孔并能在不卸除填料的情况下更换人孔垫片。人孔的选择应考虑设计压力、试验条件、设计温度、物料特性及安装环境等因素（塔体在制造厂出厂前一般以卧置状态进行水压试验，所以塔体人孔的压力等级选择必须考虑卧置状态试压时的试验压力），根据人孔标准HG/T 215142005选择人孔类型为垂直吊盖板式平焊法兰人孔，依据相应标准HG/T 215192005进行选用设计。3.3.8 法兰设计(1) 容器法兰本设备塔体与封头间需通过容器法兰进行联接，选用甲型平焊法兰，依据标准JB/T 47012000进行选用设计。(2) 管法兰塔体各接管均采用管法兰联接，根据钢制管法兰（PN系列）标准HG/T 205922009进行选用设计3.4 塔设备的强度设计和稳定校核4本设备为自支承式塔设备，在一定压力下操作，属于压力容器范畴。除与一般的压力容器承受的相同载荷外，还有侧向载荷，即风载荷、地震载荷和重量载荷、偏心载荷等。故必须考虑设备在多种载荷联合作用下的安全运行，对多种工况下、多种载荷的联合作用进行验算，以确保设备有足够的强度和稳定性。3.4.1 塔壁和封头壁厚设计(1) 壁厚的计算和校核参考钢制压力容器标准GB1501998，根据已知工艺条件确定设计压力与设计温度，选定材料为Q235-A，按照外压圆筒设计方法需通过查图计算壁厚，步骤如下：a) 对于的圆筒，假设，令，计算和的值；b) 在几何参数计算图的左方找到值，过此点沿水平方向右移与线相交（遇中间值用内插法），若值大于,则用查图，若值小于,则用查图；c) 过此交点沿垂直方向下移，在图的下方得到系数A；d) 按照所选材料，选用厚度计算图，在图的下方找到系数A；若A值落在设计温度下材料线的右方，则过此点垂直上移，与设计温度下的材料线相交（遇中间值用内插法），再过此交点水平方向右移，在图的右方得到系数B，并按下式计算许用外压力：若所得A值落在设计温度下材料的左方，则用下式计算许用外压力：e) 应大于或等于，否则须再假设名义厚度，重复上述计算，直到大于且接近于为止f） 本设备以内压进行压力试验，采用液压试验。压力试验试验压力为：液压试验应力校核条件：(2) 封头壁厚计算和校验本设备采用减压操作，为外压容器。塔顶、塔釜采用标准椭圆形封头，材质为Q235-A。封头壁厚设计步骤如下：a） 假设，令，定出，为椭圆形封头的当量球壳外半径，；b） 用下式计算系数A：c） 按照所选材料，选用厚度计算图，在图的下方找到系数A；若A值落在设计温度下材料线的右方，则过此点垂直上移，与设计温度下的材料线相交（遇中间值用内插法），再过此交点水平方向右移，在图的右方得到系数B，并按下式计算许用外压力：若所得A值落在设计温度下材料的左方，则用下式计算许用外压力：d） 应大于或等于，否则须再假设名义厚度，重复上述计算，直到大于且接近于为止3.4.2 质量载荷计算设备操作时的质量设备的最大质量（水压试验时）设备最小质量式中m1塔体和裙座质量，kgm2内件质量，kgm3保温层材料质量，kgm4平台及扶梯质量，kgm5操作时塔内物料质量，kgma人孔，法兰，接管等附件质量，kgme偏心质量，kgmw液压试验时塔内充满液体的质量，kg3.4.3 自振周期计算在地震和风载荷计算中，均要求引用塔设备的基本参数自振周期。等径、等厚度塔设备的基本自振周期按下式计算：式中基本振型自振周期，s塔设备高度，mm塔设备的操作质量，kg设计温度下材料的弹性模量，MPa设备有效壁厚，mm塔设备内径，mm3.4.4 风载荷和风弯矩的计算风载荷计算中，对于等截面塔，一般将距地面高度10m以下作为第一计算段，其后的计算段一般取为每段小于10m。塔设备各计算段顺风向水平风力计算式为：式中水平风力，N地区基本风压，N/m2第i段的计算长度，mm风压高度变化系数，高度取各计算段顶截面的高度体型系数，对于圆柱直立设备为0.7塔设备各计算段的有效直径，mm第i段风振系数图3-5 风弯矩计算简图当塔高H20m时，风振系数按下式计算：式中脉动增大系数第i段脉动影响系数第i段振型系数当笼式扶梯与塔顶管线布置成180o时，各计算段有效直径按下式计算：式中第i段塔外直径，mm圆筒或锥壳保温层或防火层厚度，mm笼式扶梯当量宽度，无确切数据时可取操作平台当量长度，mm为第i段内平台构件的投影面积，mm2；为操作平台所在计算段长度，mm。当无确切数据时，操作平台当量长度的参考值为600mm。塔顶管线外直径，mm管线保温层厚度，mm塔设备任意截面I-I处的风弯矩计算公式如下：式中任意截面I-I处的风弯矩，Nmm各计算段的水平风力，N第i段的计算长度，mm塔设备底截面0-0处的风弯矩计算公式如下：3.4.5 地震设计本设备建设地区抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，建造地为III类场地土，设计地震分组为第一组。故计算地震载荷时，仅考虑水平地震力。计算地震载荷与计算风载荷一样，实际全塔质量按全塔或分段均布，将全塔沿高度分成若干段，每一段质量视为集中于该段1/2处。任意高度hk处的集中质量mk引起的基本振型水平地震力应按下式计算：式中集中质量mk引起的基本振型水平地震力，N基本振型自振周期T1的地震影响系数，按下图确定基本振型参与系数距地面hk处的集中质量，kg表3-3 对应于设防烈度的值设防烈度789设计基本地震加速度0.1g0.15g0.2g0.3g0.4g地震影响系数的最大值0.080.120.160.240.32图3-6 地震影响系数曲线图中各类场地土的特征周期（见表3-4），s第i振型的自振周期，s地震影响系数的最大值，见表3-3地震影响系数曲线下降段的衰减系数地震影响系数曲线直线下降段下降斜率的调整系数地震影响系数曲线的阻尼调整系数表3-4 各类场地土的特征周期值设计地震分组场地土类别IIIIIIIV第一组0.250.350.450.65第二组0.300.400.550.75第三组0.350.450.650.90阻尼比应根据实测值确定，无实测数据时，一阶振型阻尼比可取=0.010.03。高阶振型阻尼比，可参照第一振型阻尼比选取。曲线下降段的衰减系数，根据塔设备的阻尼比按下式确定：直线下降段下降斜率的调整系数按下式确定：阻尼调整系数按下式确定：基本振型参与系数按下式确定：图3-7 多质点体系基本振型示意图塔设备任意截面I-I的基本振型地震弯矩计算：对于等直径、等厚度塔设备的任意截面I-I和底截面0-0的基本振型地震弯矩按下列两式计算：当塔设备H/D15，且H20m时，还应考虑高振型影响，任意截面I-I的地震弯矩可按下式估算：上述式中第i段集中力量距地面高度，mm任意截面I-I以上的集中质量mk距地面高度，mm塔设备第i计算段的操作质量，kg计算截面距地面高度，mm3.4.6 偏心弯矩计算本设备再沸器为降膜蒸发器，再沸器与精馏塔之间通过管道连接，故偏心质量me=0kg，故偏心质量引起的偏心弯矩Me=0Nmm。3.4.7 塔体的强度与稳定校核(1) 最大弯矩计算塔设备任意截面I-I处的最大弯矩应按下式计算：塔设备底截面0-0处的最大弯矩应按下式计算：(2) 塔壳轴向应力校核a） 轴向应力计算塔设备任意截面I-I处的轴向应力应分别按下列公式计算。由内压或外压引起的轴向应力：其中计算压力取绝对值。操作或非操作时重力及垂直地震力引起的轴向应力：其中仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入此项。弯矩引起的轴向应力：b） 圆筒稳定校核圆筒许用轴向压应力应按下式确定：圆筒最大组合压应力（对外压容器）应按下式计算并校核：c） 圆筒拉应力校核圆筒最大组合拉应力（对外压容器）应按下式计算并校核：上列各式中任意截面I-I以上塔设备的操作质量，kg设计温度下塔壳的许用轴向压应力，MPa载荷组合系数，取1.2设计温度下塔壳材料的许用应力，MPa焊接接头系数(3) 压力试验时应力校核a） 圆筒应力计算试验压力引起的轴向应力：重力引起的轴向应力：式中为液压试验时计算截面I-I以上的质量（只计入塔壳、内构件、偏心质量、保温层、扶梯和平台质量），kg弯矩引起的轴向应力：b） 应力校核压力试验时，塔体材料的许用轴向压应力应按下式确定：液压试验时，塔体最大组合轴向拉应力校核：液压试验时，塔体最大组合轴向压应力校核：3.4.8 裙座的计算参照筒体厚度试取裙座壳壁厚，验算危险截面（裙座壳底截面和人孔截面）的应力。(1) 裙座壳底截面应力校核其中仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入此项。上列式中裙座圆筒底部抗弯截面系数，mm3裙座圆筒的底部截面积，mm2(2) 人孔截面应力校核其中仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入此项。上列式中人孔截面处裙座壳的抗弯截面系数，mm3人孔截面处裙座截面积，mm2(3) 基础环设计基础环板内、外径按下式选取：混凝土基础上的最大拉应力计算：式中基础环的抗弯截面系数，mm3基础环面积，mm2基础环上有筋板时应按下式计算基础环厚度：式中矩形板的计算力矩，取矩形板X、Y轴的弯矩、中绝对值较大者，Nmm基础环材料的许用应力，MPa矩形板的计算力矩按下式计算：式中基础环外直径与裙座壳体外直径之差的1/2，mm两相邻筋板最大外侧间距，mm、矩形板力矩计算系数，根据的值查表得到。(4) 地脚螺栓选用地脚螺栓承受的最大拉应力应按下式计算：当时，设备自身稳定，但为固定设备位置，应设置一定数量的地脚螺栓。当时，设备应设置地脚螺栓。地脚螺栓的螺纹小径应按下式计算：(5) 裙座壳与塔体焊接结构应力校核裙座壳与塔体对接焊缝截面拉应力校核：其中仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入此项。为设计温度下焊接接头的许用应力，取两侧母材许用应力的小值。第四章 设计计算结果4.1 工艺设计结果塔径：900mm塔高：26100mm精馏段填料层高度：3.9m分段数：1提馏段填料层高度：4.2m分段数：3填料层总压降：10872.1Pa4.2 结构设计结果4.2.1 格栅板填料支承装置材料：Q235-A 格栅板数：3块栅板条间距：140mm格板条间距：210mm分块格栅板宽度：298mm格栅板的厚度：10mm格栅板的高度：13mm支持圈尺寸D1=894mm，D2=794mm支持圈厚度：8mm支持板数：6块4.2.2 可拆型槽盘气液分布器通用结构尺寸：总高度H=468.5mm；升气管高度L1=254mm；分布板底距下端高度L2=96mm；分布板宽度L=222mm；档液帽宽度W=120mm；升气管宽度b=110mm；d1孔数n=55个精馏段：d1=0.008m、d2=0.008m、h1=0.047m、h2=0.13m提馏段第一段：d1=0.008m、d2=0.008m、h1=0.047m、h2=0.13m提馏段第二段：d1=0.0065m、d2=0.0065m、h1=0.04m、h2=0.11m提馏段第三段：d1=0.006m、d2=0.006m、h1=0.04m、h2=0.11m4.2.3 丝网除沫器选用DN900上装式丝网除沫器。外形尺寸为：H=100mm，H1=218mm，D=820mm干网压降为171.6Pa，操作压降为220.7Pa。4.2.4 接管尺寸进料管：181mm塔顶采出管：342mm塔顶蒸汽出口管：1404mm釜液采出管：702.5mm塔釜防涡流挡板结构尺寸：A=150mm，B=100mm，材质为碳钢，t=6mm再沸器入塔接管：1685mm4.2.5 人孔选用垂直吊盖板式平焊法兰人孔。标记：人孔 I b-8.8(XB450) 450-0.6 HG/T 2151920054.2.6 法兰容器法兰选用甲型平焊法兰，材质为Q235-A。容器法兰标记为：法兰RF 9000.25 JB/T 47012000进料管管法兰标记：法兰 PL 15(B)-2.5 RF Q235-A塔顶采出管管法兰标记：法兰 PL 25(B)-2.5 RF Q235-A塔顶蒸汽出口管管法兰标记：法兰 PL 125-2.5 RF Q235-A釜液采出管管法兰标记：法兰 PL 65(B)-2.5 RF Q235-A再沸器入塔接管管法兰标记：法兰 PL 150-2.5 RF Q235-A4.3 强度设计结果塔体壁厚：11mm材质：Q235-A封头壁厚：11mm封头标记：EHA 90011Q235裙座壳壁厚：11mm基础环板内径600mm，外径1200mm，厚度28mm，材质为Q235。地脚螺栓规格选择M364。第五章 过程控制5.1 控制方案概述5精馏操作的控制涉及变量多，内在机理复杂，变量间相互关联，加之控制要求较高，因此必须深入分析工艺特性，总结实践经验，结合具体情况才能设计出合理的控制方案。精馏过程中的主要要求包括：保证质量指标、保证平稳操作、满足约束条件、符合节能要求和经济性。在精馏操作中，质量指标、产品回收率和能量消耗均是要控制的目标，其中质量指标是必要条件，在质量指标一定的前提下，应在控制过程中是产品产量尽量高一些，同时能量消耗尽可能低一些。本设备用于将反应工序所得烷化液进行初步精制，塔釜馏分为对叔丁基苯酚和重馏分，该馏分经进料泵送至精馏塔II的中部继续精制以获得对叔丁基苯酚产品，故塔釜产物为本设备的主要产品。因此过程控制方案的基本要求是保证重关键组分尽量高的纯度，同时对重关键组分的塔顶损失有特殊要求，对塔顶馏出液的组成没有特殊要求。根据本设备工艺要求，选择提馏段温控方案作为本设备的过程控制方案。以塔釜产品质量指标作为被控变量，原则上应选择直接表征产品质量的指标，即馏出物中对叔丁基苯酚含量，但由于目前缺乏检测混合叔丁基苯酚的仪表，且成分仪表从采样到分析滞后大、反应慢、可靠性差，不宜采用产品成分作被控变量，而应采用提馏段温度作为衡量质量指标的间接指标。提馏段温控方案的主要控制系统是以提馏段灵敏点温度作为被控变量，加热蒸汽量为操纵变量。塔顶馏出液中对叔丁基苯酚的损失指标通过流量调节器改变其馏出量。用物料平衡(含热量平衡)进行控制。其塔底产品对叔丁基苯酚纯度指标则通过提馏段温差调节器与塔底再沸器的加热蒸汽流量调节器组成串级控制，进行能量平衡的控制。除了这个主要控制系统外，还设有四个辅助控制系统，以满足某些参数的约束条件及减小干扰因素的影响。为保证物料平稳，需建立塔釜液位控制系统、塔顶采出量控制系统和进料流量控制系统，对塔顶馏出量D作均匀控制，对塔底采出量B和进料量F作定值控制；为维持塔压恒定，在塔顶设置压力控制系统，对塔顶压力作定值控制，因本塔为减压塔，塔顶使用全凝器，控制手段不能使用通常的冷剂量，而应直接调节连接真空系统的管路阀门开度。由于上述系统对塔顶、塔釜成分均无直接影响，因此均可采用简单调节系统。表4-1 控制系统一览表控制系统控制类型被控变量控制变量进料流量控制定值控制进料流量进料流量塔釜液位控制均匀控制塔釜液位塔底采出量塔底采出量塔顶采出量控制定值控制塔顶采出量塔顶采出量塔顶压力控制定值控制塔顶压力真空系统阀门开度提馏段温度控制定值控制提馏段灵敏点温度加热蒸汽流量5.2 管道仪表流程图图4-1 精馏塔I的带控制点管道仪表流程图(1) 塔顶压力为负压，控制连接真空系统的管路阀门的开度大小。(2) 塔顶采出量由塔顶采出阀门控制。(3) 进料流率需要维持在稳定的状态，通过改变进料流量阀的开度来实现控制要求。(4) 塔釜采出量由塔釜液位控制。(5) 提馏段敏感点的温度控制进入再沸器加热蒸汽流量。5.3 开停车方案5.3.1 精馏塔开车方案(1) 开启真空系统，对精馏塔I进行减压至顶压接近3.3kPa即达到正常操作压力。(2) 启动进料泵开始加入原料，塔釜液位开始升高后，启动冷凝器，打开冷凝水供应。(3) 塔釜液位达到1/22/3时，开启塔底再沸器，塔釜物料升温。(4) 当液位达到70%时，停止进料，启动回流泵，进行全回流操作。(5) 当蒸发开始时，塔内蒸汽上升，液位下降，当液位降至30%时，再次启动进料泵进料，调整回流量，开始采出塔顶及塔底物料。操作稳定后塔底液位维持在30%-70%之间，塔顶和塔底物料打入不合格产品管线。(6) 监视塔釜与塔顶的温度，保证温度在操作或设计范围内，通过变更塔顶回流比和塔釜再沸器负荷保证温度稳定。(7) 取样分析回流样及塔底产品样是否达到产品要求。(8) 各项指标都在操作范围或设计范围内，回流样及塔底产品样达到产品要求后，将塔顶产品打入前馏分罐，塔底产品打入中间储罐，开车成功。5.3.2 精馏塔停车方案(1) 切断原料进料管路，切断工艺物流进入再沸器的管路。(2) 关闭再沸器。(3) 切断塔顶采出管路，改为全回流状态。(4) 待塔顶无气相流股时，切断冷却水进入冷凝器的管路，关闭冷凝器。(5) 接通回流罐去废料中间储罐的管路，接通塔釜去废料中间储罐的管路。(6) 待积液排净后，切断回流罐去废料中间储罐的管路，切断塔釜去废料中间储罐的管路。(7) 关闭真空系统，提高塔内压力至大气压。(8) 用氮气吹扫，排除残留物料，使精馏塔I内温度接近常温，为检修作好准备。第六章 敏感性技术分析本设备主要工艺约束条件为釜液对叔丁基苯酚的质量分数，主要干扰变量为进料状况及回流比等操作参数，利用Aspen Plus对以上敏感性参数进行分析。6.1 回流比对产品浓度影响的灵敏度分析图5-1 回流比对产品浓度影响的灵敏度分析由图5-1可看出，回流比较低时增加回流比对塔釜对叔丁基苯酚的质量分数的提高影响明显，回流比大于4后，随着回流比的增加，产品浓度变化不大，因此回流比应设置在4以下。且回流比在33.5之间时，产品浓度随回流比变化率最大。因此，若回流比设置在此范围内时，效果最显著。6.2 进料温度对产品浓度影响的灵敏度分析图5-2 进料温度对产品浓度影响的灵敏度分析由图5-2可看出，随进料温度升高，产品浓度降低，但同时为加热进料，冷凝器与再沸器热负荷升高，使操作费用增加。本设备所处理物系凝固点较低，进