改性沥青生产装置设计说明书1.doc

改性沥青生产装置设计化学化工学院 题 目： 改性沥青生产装置设计 学 生 姓 名： 学 号： 学生年级专业： 指导教师姓名： 完 成 时 间： 2013 年 6 月目录摘要III第1章.绪论11.1课题背景11.2研究现状21.2.1SBS改性沥青21.2.2生产工艺21.2.3改性沥青生产装置31.3成套设备设计41.3.1设计方式41.3.2存在的问题41.4研究的目的和意义41.5研究的主要内容和方法51.6设计注意的问题5第2章.工艺流程介绍62.1溶剂特性简介62.2改性沥青组分及质量指标62.3主要工艺流程说明62.3.1溶剂的加载和回收62.3.2胶液制备72.3.3第一次加载基质沥青及加热。72.3.4反应、蒸发和冷凝72.3.5第二次加载基质沥青及预热72.3.6混合及成品沥青出料8第3章.工艺设计计算103.1工艺流程设计103.2沥青泵的选型103.2.1基质沥青性质：103.2.2流量计算103.2.3沥青输送时间校核对113.3生产过程热量衡算113.3.1一次加载沥青加热123.3.2二次加载沥青加热123.3.3溶剂加热133.3.4溶剂蒸发冷凝加热133.3.5加热过程计算结果汇总15第4章.设备设计计算174.1设备初步布置174.2沥青计量罐计算184.2.1沥青计量罐设计条件184.2.2沥青计量罐体积计算184.2.3计量罐壁厚计算184.2.4罐体接管及开孔补强设计194.2.5沥青计量罐保温层设计计算194.2.6计量罐支座设计204.2.7计量罐加热蛇管设计224.2.8沥青计量罐设计计算结果汇总244.3反应器的设计244.3.1主要工艺参数：244.3.2罐体体积计算244.3.3反应器壁厚计算264.3.4夹套设计计算274.3.5试验压力校核284.3.6开孔补强284.3.7反应器换热计算294.3.8反应罐保温层计算314.3.9支座计算314.3.10搅拌功率计算324.3.11搅拌轴强度及刚度计算334.3.12搅拌机传动装置零部件364.3.13反应罐计算结果汇总374.4预热器设计384.4.1设计条件384.4.2预热器热负荷校核384.4.3换热面积计算384.4.4换热器选型394.4.5预热器结构设计39摘要随着我国经济的高速发展，对高等级公路的要求越来越高，这为改性沥青的大范围的推广应用提供契机。在国内的，就目前主要的生产方式胶体磨和高速剪切法而言，其关键设备胶体研磨机和高速剪切机受我国落后的机械加工手段限制，无法提供高精度和高质量产品的批量化生产，只能依靠进口设备，大大提高了设备生产的成本。而本次设计工作依据非炼磨式生产新工艺，设备都属于常见化工设备，能实现完全国产化，降低了生产成本。在本次设计工作中，结合工程实践经验，整套设备选用现场生产的方式，设备按照撬装设备设计，需要综合考虑撬装设备的安装检修，交通运输方便，设备高度限制等问题。同时由于沥青的生产过程始终贯穿着沥青的加热过程，关键工艺溶剂的蒸发冷凝也需要大量的供热，对设备的热量衡算关系到设备的节能减排性能，在设计工作中，热量衡算采用了与工程实践更为贴近的周期工作的单向式热交换计算，并且考虑到在生产过程中有人工参与，对设备的表面按照防烫伤标准设计绝热层。对于设备的罐体及支座参考GB150，GB151等相关标准完成结构设计及强度计算，而反应器的设计参考相关设计手册完成搅拌器及传动装置的设计计算和强度校核。关键词：改性沥青、撬装设备、非炼磨式45第1章. 绪论1.1 课题背景随着我国经济的飞速发展，我国的公路交通事业发展也十分迅速，尤其是高等级公路的快速建设。高等级公路的大量建设，大大提高了公路的运输能力，降低了运输成本，提高了客运和货运的安全性，可以节约国家资源，为我国经济的持续的高速发展奠定基础。在我国，沥青路面的比例在80以上，西方工业发达国家该比例更高。如美国的比例在93以上参考文献李保. SBS改性沥青成套设备的研究及发展J. 科学之友, 2008.8(24):3-4.。普通沥青作为路面材料的存在不足，容易产生如车辙、开裂和老化等现象，尤其是在交通量飞速增长，交通工具载重量的增加，对路面材料提出了更高的要求，这些都促进了路面沥青的改进研究和相关成套设备的设计。但就福建而言，福建省高速公路“十一五”发展期间开工建设39个项目，建成1200公里。而在新的“十二五”规划中，计划建设高速公路66个项目3300公里福建省交通运输厅.福建省高速公路“十二五”专项规划.2011.6.。为了保证计划的顺利完成，为经济建设的腾飞铺路架桥，研究高质量的改性沥青和设计完成高质量改性沥青生产装置都有重要意义。通过对沥青添加改性剂可显著提高路面的使用性能，而在众多改性剂中，在国外通过对各种改性剂的改性效果进行了实验，比较各项性能Y.F.Yen,G.V.Chilingarian.Aspartames and asphalts.Amsterdam: Elsevier Science,1994：396442，SBS ( 苯乙烯 丁二烯 苯乙烯嵌段共聚物) 改性沥青由于高低温性能优良、力学性能好，使路面的抗车辙能力提高，低温开裂温度降低，具有很好的抗疲劳性能和粘附性能，同时，SBS 改性沥青回收再利用率比较高，使其得到了非常广泛的应用。根据1998年统计张德义.加快高等级道路沥青的开发与生产J.石油化工动态,1999,7(1)：1112. 中国石油沥青调研组.沥青生产技术调研报告(内部参考).2004.国外主要改性材料应用比例为：欧洲：SBS 44、SB 10、EPDM 12、轮胎粉9；美国：在27个改性沥青公司中，经营SBS的公司占37、SB 13、SBR 7：日本：SBS、EVA966、SBR 3.41。SBS改性沥青广泛应用，对改性沥青生产设备的设计研制也起到促进作用。国外的改性沥青设备在高等级道路工程上的应用已经发展了很长时间，而国内的发展时间才有十几年时间，很多国内厂商是消化吸收国内外产品的设计思想或直接购买国外厂家的生产许可证进行制造，售价一般在200-300万元，对公路施工部门来说价格较高 盖晓华. 基于PLC的改性沥青生产线自动控制系统设计D. 同济大学, 2009.。1.2 研究现状1.2.1 SBS改性沥青国内1960年以前，沥青路面仅用于城市道路和专用公路，沥青材料主要是煤沥青和用进口原油提炼的石油沥青。1992年Novophalt PE现场改性技术的引入，对改性沥青的推广应用起到了促进作用，使改性沥青从研究试验逐步发展到大规模生产应用。现在已经研究出各种类型改性沥青满足不同需求：以SBS、PE、SBR等为代表的聚合物改性沥青；为了适应某些特殊工程需求，出于节约资源、保护环境的目的，已经实现废旧橡胶粉改性沥青；还有经过机械剪切和化学稳定方法扩散到水中的乳化沥青。在多种改性沥青中，国产SBS的改性沥青由于有良好的高温稳定性、低温抗裂性，以及初期病害少的使用实践，使之已成为全国主流改性材料，在一些重载交通问题突出的省、市，更得到了广泛的应用牟洪建. SBS改性沥青的制备研究D. 天津大学, 2005.6.。近年来，国产沥青不仅产量已经达到了相当的规模，而且质量也达到了较高的水平，经过多年的研究积累，我国沥青炼制水平已经赶上国外发达国家，完全有能力炼制优质沥青，质量可以和国际知名品牌相媲美。国外从1898年法国开始在沥青中掺配天然橡胶以来，对改性沥青的研究应用已有百年历史，从最初的天然橡胶胶粉或乳胶到SBR、EEA、PE等多种多样的改性材料，但是SBS凭借其获得了国际公认的优良改性效果，逐渐成为主导改性材料 M.N.Siddiqiu,.M.F.A1i.Studies on the aging behavior of the Arabian asphalts.Fuel,1999,78：10051015.。1.2.2 生产工艺改性沥青生产就是通过各种方法把改性材料破碎成微细的颗粒，并使其均匀地分散融溶在沥青中，形成一种稳定的沥青与改性剂的共混体。目前，改性沥青制备工艺主要包括两种混合方式：机械搅拌法、胶体磨法和高速剪切法 A.A.Mohamed,M.O.Hamzah,H.Ismailand Husaini Omar.RHEOLOGICAL PROPERTIES OF CRUMB RUBBER MODIFIEDBITUMEN CONTAINING ANTIOXIDANTJ.The Arabian Journal for Science and Engineering,Volume.2009,4：2-12。这三种方法按排列顺序及技术提高的阶段也是相符的，即最早是搅拌法，然后是胶体磨法，再到高速剪切法，目前，国内外对高速剪切法最为推崇杨林江.李井轩.SBS改性沥青的生产与应用M.北京：人民交通出版社,2001年07月第1版.，但是国内在生产实践中主要还是应用较为成熟的胶体磨法。在以节能环保为主题的今天，一种回收利用废旧轮胎的作为改性原料的胶粉改性沥青制备技术，使用的就是机械搅拌法 丁新旗. 胶粉改性沥青制备技术及其计算机仿真分析研究D. 长安大学, 2011.；河南省交通科学技术研究设计的GL-20型改性沥青设备和北京国创LG-YW-8炼磨式沥青改性设备都是采用胶体磨为主机的破碎方法，属于胶体磨法李景轩, 孟凡军. 改性沥青设备的发展与应用J. 应用技术, 2003(1):30-31. 唐相英. 高速公路SBS改性沥青现场生产的技术创新J. 科技资讯, 2010(2):38.；作为目前国内改性沥青生产设备技术最为先进的浙江兰亭高科研制的JKLG-40，就采用了国际领先水平的多齿面内啮合高速剪切磨，不但保证了产品的质量，同时减少了研磨次数，提高了工效5-10倍勒长征. 40t/h改性沥青成套设备的研发及应用工艺J. 山西交通科技, 2005.12(第6期):80-81.。1.2.3 改性沥青生产装置生产设备安装生产场地大体上分为固定式和移动式两种。在工厂生产成品的改性沥青供施工现场的方式最大优点就是使用方便，但成品的改性沥青的缺点是对沥青的储存和运输有较高要求，如不采取包装运输或热储存运输加热保温措施，会使其运输范围受到一定限制，只能在就近区域内发挥作用，所以解决包装与运输加热保温问题是决定产品市场辐射半径的关键，而且用户对基质沥青、改性剂的品种剂量不熟悉，尤其是成品改性沥青的离析问题有相当大的风险。现场加工制作、现场使用的方式的最大优点是基质沥青的品种、质量、改性剂品种、添加量清晰明确，只要检验其磨细的程度，改性沥青的质量一般都会有保证。常规下，它不考虑在使用的过程中，改性剂的离析问题，可以适用于SBS等各种难以加工及与沥青相容性很差的改性剂，改性效果也会比较明显甄毅. 浅析国内改性沥青的发展J. 中国新技术新产品, 2002(9):36.。工厂化生产为大批量使用改性沥青提供了方便，现场生产则为随使随用和超远距离运输提供了解决的办法。现场加工具有方便灵活、可随时生产的特点，对移态及重现精度等技术参数没有苛刻要求，对控制系统的衔接也无特别要求，这是工厂化所不能比拟的优势 12。我国现在已经研究出多种型号的移动式沥青生产，例如比较成功的浙江兰亭高科研制的移动式SBS改性沥青成套设备，其生产的JKLG-40型无论在产能还是耗能方面都与美国德国类似设备部相上下；河南省交通科学技术研究院自行研制了新型的GL-20型改性沥青生产设备，可以生产多种改性沥青，具有广泛的用途，整套设备占地13x13m2 ，设备生产能力为20/h，设备总驱动功率280Kw,导热油炉供热量为0.96MW王新增,张胜. 浅谈GL20型改性沥青现场生产设备J. 北京.交通科技与经济, 2005(3):32-35.；而福建省的厦门公路局在319 国道海沧路段拓宽改造工程中采用了改性沥青技术, 购置了一套应用美国HEATEC 技术及工艺流程、进口主机国内配套制造的DOUBLE-G-8 型改性沥青设备，该设备详细参数如下：在改性剂含量为5%-6%、颗粒度为0.005-0.01mm时，每小时产量为6-8t；沥青及改性剂称量精度为0.05%吴春生, 党劲. DOUBLE-G-8 型移动式改性沥青设备J. 建筑机械, 2000(6):29-30.。1.3 成套设备设计1.3.1 设计方式改性沥青生产装置的设计已经较为成熟，生产过程所需的设备大都是化工行业较为常见的设备，在设计工作中都是根据工艺生产过程需要选择相关设备。其中各种罐体及换热设备的设计主要是参考GB150钢制压力容器、GB4732钢制压力容器分析设计标准、GB151-2012热交换器进行设计；搅拌设备的设计也较为成熟，可以参考相关标准完成设计工作；而沥青泵、电机等设备更是定型设备，主要结合实际情况完成相应的选型即可。1.3.2 存在的问题就目前主要的生产方式胶体磨和高速剪切法而言，现场加工SBS改性沥青生产装置主要组成部分可以概括为SBS与沥青的上料系统、计量称重系统、加热恒温系统、熔胀搅拌系统、剪切研磨系统、空压机供气系统、成品贮存系统和自动控制系统等。其中，提供剪切力的胶体研磨机和高速剪切机作为整套设备的关键设备，受我国落后的机械加工手段限制，无法提供高精度和高质量产品的批量化生产，只能依靠进口设备，大大提高了设备生产的成本。而在沥青生产过程中，为了保证产品的质量，同时为了节省原料，对生产设备的计量和控制系统也不断提出新的要求，这也是沥青生产装置亟待解决的问题。1.4 研究的目的和意义随着高等级公路的加速建设，对改性沥青无论从质量上还是数量上的需求都会进一步的提高，而市政建设、机场建设的要求也在不断提高，这些都为改性沥青生产装置提供进一步发展的机会和更加广阔的市场空间，国产设备要在其中抢占一定的份额，需要不断更新生产工艺，同时降低生产成本。由福州大学与福州公路局合作研发的非炼磨式高聚物改性沥青生产新技术，具有生产成本低、能耗少的特点，而且整个工艺过程所需的设备都是常见化工设备，较炼磨式生产方式无需生产加工要求较高的炼磨机和剪切机，使得生产设备的投资降低，而且在生产过程中辅助生产的原料实现循环利用，节约了资源。本次工作根据该新技术并结合工程实践需要完成整套撬装设备的设计工作，为新技术的推广应用奠定基础。1.5 研究的主要内容和方法本次设计工作主要包含沥青泵、真空泵、热油炉、热油泵、电机等定型设备的选型，计量罐、搅拌器、换热设备等非定型设备的设计。定型设备主要参考相关设计手册结合相应生产厂家提供的技术参数选择合适的型号。而非定型设备的设计主要参考相关标准予以设计，主要标准包括：GB150钢制化工容器制造技术要求固定式压力容器安全技术监察规程钢制化工容器结构设计规定承压设备无损检测GB151热交换器HG21563搅拌传动装置系统组合、选用及技术要求 同时，在本次设计过程中所用到的主要技术资料及手册有：化工工艺设计手册化学工业出版社沥青加热技术王志廷、靳长征、韩宪锁主编 化工工艺设计手册上海医药设计院压力容器与化工设备实用手册（下册）曲文海主编焊接手册中国机械工程学会焊接学会编1.6 设计注意的问题由于本次工作是设计完成一部撬装设备，设备的设计主要注意以下问题：（1） 撬内各设备的合理布置，即要保证工艺合理性，又要保证连接管道最省，还要考虑操作性等。 （2） 撬装设备的吊装，在设计撬装设备时对于吊装是一个不可回避的问题，是整撬吊装还是现场组装。设计时还应考虑，不同的吊装方案，撬架设计是不一样的。（3） 撬装设备考虑到交通运输过程中道路的限高问题，设备的高度限高定为4.5m 。第2章. 工艺流程介绍2.1 溶剂特性简介1. 溶剂自燃温度为535，闪点4.4，爆炸下限1.4%（容积），爆炸上限7.0%（容积），蒸汽相对比容为3.18（空气=1）。2. 溶剂为非极性溶剂，不溶于水。3. 溶剂一般无腐蚀性，对碳钢有微腐蚀作用。4. 在真空状态下溶剂沸点降低，为避免冒锅，容器的填充系数取85%（体积）以下。2.2 改性沥青组分及质量指标非炼磨改性沥青产品是采用化学和物理方法，将SBS胶以分子状态均匀地分散到沥青中，从而得到高性能改性沥青产品。根据国家JTJ036-98要求，残留挥发物含量必须265保温层选用计算热量损失：符合国家标准。4.2.6 计量罐支座设计参考中华人民共和国国家发展和改革委员会.JB/T4712.1-4712.4-2007容器支座.机械工业出版社,2007.JBT4712.1-4712.4-2007容器支座标准选用支承式支座，根据公称直径选择支座B3，h=750，初步选用4个支座，现对支座进行校核。支承式支座实际承受载荷按公式近似计算：式中：支座承受的载荷，；D支座安装尺寸，mm，对B型支座，D=Dr=1050mm；H水平力作用点到底板的高度，mm；取容器中点到地面距离，H=k不均匀系数，安装4个支座时取k=1；设备总重量，kg；封头质量，一米筒体质量，设备质量，保温层质量，内件质量，设备总质量：支座数量；P水平力，取Pe+0.25Pw的大值，N；水平地震力，由于本次设计是撬装设备不予考虑，N；水平风载荷，N容器外径，mm，风压高度变化系数，设备高度小于10m，=1容器总高度，mm，10m高度处的基本风压值， ，mm，；水平风载荷：水平力；支座承受的载荷：查询容器支座标准在许用应力条件下，椭圆封头在封头有效厚度为6.7mm的情况下，允许的垂直载荷满足要求。4.2.7 计量罐加热蛇管设计由于预热器供热量较少，按照完全由沥青计量罐完成沥青的加热过程计算。参考热交换器原理与设计史美中, 王中铮. 热交换器原理与设计M. 第一版. 东南大学出版社, 1989.11 :329-336.按照周期工作的单向式热交换器器计算，加热或冷却流体温度变化时，对加热过程积分后可得出式（1.9）：式中：蛇管或套管内热流体的流量（kg/s）；沥青质量（kg）；热流体比热容（）； 进口温度保持不变()；出口温度随时间变化()； 被加热液体温度()；被加热液体比热容（）；被加热液体初始温度()；被加热液体加热温度()；K总传热系数（）；A换热面积；加热时间（s）；（1） 换热面积计算参考国家医药管理局上海医药设计院编. 化工工艺设计手册 (下)M. 北京市：化学工业出版社, 1996.01.2-88页，反应器传热的总传热系数取K=70查阅21YD-325导热油的比热容:在250时，在300时，取平均，导热油入口温度，导热油的密度：250时在300时，取平均。导热油炉最大热油流量为，按照供热量分配导热油流量，按照表所示的方式分配计算如下：导热油质量流量：沥青总的质量沥青初始温度，沥青加热结束温度；加热过程沥青比热容取平均比热值参考19:将温度代入计算平均比热容加热时间按照工艺流程设计取换热面积计算如下：（2） 蛇管圈数计算参考王凯,虞军. 化工设备设计全书:搅拌设备M. 化学化工出版社, 2003.147页，蛇管的规格尺寸按照计量罐的直径选择，各项参数计算如表表格 4.21：表格 4.21蛇管圈数计算单列蛇管双列蛇管蛇管外径5757所需蛇管长度m108.26108.26蛇管圈直径mm122012201020蛇管层数28.2615.392选用双列蛇管，蛇管的层数内侧16层、外侧15层，热量损失和剩余的热量由预热器提供。4.2.8 沥青计量罐设计计算结果汇总表格 4.22沥青计量罐计算结果筒体直径（mm）1600罐体壁厚（mm）8筒体高度(m)2.7蛇管形式双列蛇管蛇管层数15，16保温层厚度（mm）40支座号JB/T4712.2-2007，支座B3支座个数4支座高度（mm）500支座安装高度（mm）739公称管径（mm）150管子壁厚（mm）6管子外伸长度（mm）1504.3 反应器的设计4.3.1 主要工艺参数：设计压力：罐内：-0.10MPa （0.35Mpa气送）夹套：0.33MPa设计温度：罐内：230 夹套：300充装系数：0.8安全阀定压： 0.33 MPa搅拌轴转速：50rpm（组合式桨）轴封：双端面机械密封4.3.2 罐体体积计算参考文献25考虑到物料类型用于液液相物料混合，长径比H/Di选择在1-1.3由于是撬装设备为了防止道路限高选用较小的长径比H/Di：H/Di8=1盛装物料最大量出现在循环混合阶段，有10000kg改性沥青在反应罐与混合器间循环混合。改性沥青的体积：罐体全容积V与罐体的公称容积有如下关系：式中：罐体公称容积即工作时物料体积，（）；：充装系数，取=0.8（1） 初步计算筒体直径为了便于计算忽略封头的容积，认为：式中，Di8及H单位是m。把罐体长径比、代入上式并整理得：查询相关标准选择Di8=2600mm，主要结构特征选用椭圆形封头为底和椭圆形焊接的盖。（2） 确定筒体直径和高度封头体积Vf=2.5131m3 ，用下式计算筒体高度：反应器筒体高度H=1.6m（3） 校核反应器的长径比及充装系数：查阅GB-T25198-2010可知Di=2600mm筒体一米容积为=5.309m3满足充装系数要求。反应器筒体内部总高：H=Ht+2Hf=（4） 计算夹套高度一次加载沥青质量沥青体积：筒体内液面高度胶液加入后液面高度：为了简化计算两液体按照体积简单相加计算：考虑到在循环混合阶段改性沥青的液面较高，筒体部分夹套高度选取为=1m。4.3.3 反应器壁厚计算（1） 罐体壁厚计算按照内压容器计算：椭圆形封头的强度条件为筒体壁厚计算按照内压容器计算：按照外压容器设计：夹套内压力为0.33MPa，筒体设计压力为-0.1MPa，最大外压为0.43MPa。材料选用Q245R，查取GB150.2-2011，材料弹性模量E=MPa计算长度L=1000mm设定筒体壁厚为钢材负偏差c1=0.3mm腐蚀裕量c2=1mm筒体有效厚度，设备外径临界长度：因为所以使用短圆筒计算公式：其中稳定性安全系数m=3（2） 封头厚度计算凸形封头在弹性段内的许用外压可按下式计算：当设厚度为12mm时，选用标准封头：不符合要求。同理可以计算厚度为14mm时，P=0.4711MPa。综上所述筒体壁厚选择14mm。4.3.4 夹套设计计算因为设计温度为300，选用整体夹套。对罐体的包覆程度选用圆筒的一部分和下封头包有夹套。其中筒体包覆高度取筒体内液面高度L=Hj8=1m。由于工艺操作条件较好，对罐体外部表面无需定期清洗，所以整体夹套和罐体选用不可拆卸式，这种设计结构简单，密封可靠。夹套壁厚计算按照内压容器设计筒体，材料选用Q245R，查取GB150.2-2011得在300下许用应力=108MPa。（1） 筒体壁厚计算罐体直径为2600mm，夹套内径选择2800mm。按照内压容器计算：（2） 封头壁厚计算：选用局部探伤的相当于双面焊接的全焊头焊缝，钢板厚度负偏差c1=0.3mm，腐蚀裕量c2=1mm。厚度附加量c=c1+c2=1.3mm根据第三强度理论，椭圆形封头的强度条件为：设计厚度：壁厚不能满足安装、制造、运输等对刚度的要求时，最小壁厚，且不小于3mm，腐蚀裕度另加，参考25 86页选择，底部封头考虑到为了承受整台设备的载荷，名义厚度选用12mm，同时考虑到制造方便筒体也选用相同的厚度。4.3.5 试验压力校核郑津洋主编. 过程设备设计M. 北京市：化学工业出版社, 2010.07.在夹套与筒体焊接之前要进行水压试验，装上夹套也要进行水压试验，使筒体承受外压。（1） 水压试验筒体试验压力：筒体承受内压是稳定的。夹套内压试验压力选择和筒体一样压力：夹套承受内压仍然安全。此时筒体受到外压，保持一段时间看筒体是否有变形，若无变形则是安全的。（2） 气密性试验由于本设备内的甲苯蒸汽属于易燃易爆气体，同时在工作时，容器需要在较高真空度条件下进行工作，需要对设备进行气密性试验。4.3.6 开孔补强当设计压力小于2.5MPa，且接管半径小于80mm，两孔间距离大于两孔直径之和的两倍时，无需补强，所以只要人孔、视镜孔，沥青接管需要补强