2.6万吨年乙烯精馏塔设计_毕业设计.doc

设计说明书题目： 2.6万吨/年乙烯精馏塔设计 院系： 机械工程学院_ _专业： 过程装备与控制工程专业_ 内容摘要塔设备是化工、石油等工业中广泛使用的重要生产设备。塔设备的基本功能在于提供气、液两相以充分接触的机会，使质、热两种传递过程能够迅速有效地进行；还要能使接触之后的气、液两相及时分开，互不夹带。塔设备主要应用在石油化工行业，其种类很多，比如有常压塔，加压塔及减压塔，还有按单元操作分有精馏塔，吸收塔，萃取塔，反应塔，填料塔，干燥塔等。本次设计的是2.6万吨乙烯精馏塔，在本次设计中主要包括三大方面的内容：一是工艺计算，二是强度及稳定性的计算，三是专题部分。第一部分主要进行了物料衡算，塔内物件尺寸的确定，各种管径的确定，附属设备的选择等等。第二部分在强度及稳定性计算中，计算出塔器的各部分质量，对塔的三个危险截面进行校核，主要是质量载荷，风载荷和地震载荷的计算。还要进行补强的计算。 最后是专题部分，即吊柱的选用与校核。关键词：板式塔 精馏设备 填料塔AbstractTower equipment is the important production equipment that chemical industry , petroleum ,etc. used extensively in industry. The basic function of the tower equipment lies in offering the angry , chance in order to be fully contacted of two phase of liquid , make the quality , two kinds of hot transmittance process can go on promptly and efficiently ; Can is it exposed to gas , liquid two phase after separate in time , carry each other secretly to make also. The tower equipment is applied to the trade of petrochemical industry mainly, there is a lot of its kind , for example there are atmospheric pressure towers, pressurize in the tower and reduce pressure in the tower, operate and divide rectifying tower according to the unit , absorb the tower, lie between and suck the tower, extract the tower , the reaction tower, dry tower ,etc.The one that designed is 2 this time. The rectifying tower of 60,000 tons of ethylene, design main content including three major respects in China this time: First, the craft is calculated, second, the calculation of the intensity and stability, third, thematic part. First part Be regarded as the weighing apparatus of the supplies mainly, the sureness of the size of the things in the tower, the sureness of different pipe diameters, choice of the accessory equipment ,etc. Second part In the intensity and stability are calculated , calculate out every part of quality of the tower device , check three dangerous sections of the tower, mainly quality load, the calculation with loaded wind load and earthquake. Mend strong calculation. It is a thematic part finally, namely hang the exertion and check of the post. Keywords: Tray Tower Distilling Equipment Packed tower目录塔设备概述塔设备是化工、石油等工业中广泛使用的重要生产设备。塔设备的基本功能在于提供气、液两相以充分接触的机会，使质、热两种传递过程能够迅速有效地进行；还要能使接触之后的气、液两相及时分开，互不夹带。因此，蒸馏和吸收操作可在同样的设备中进行。根据塔内气液接触部件的结构型式，塔设备可分为板式塔与填料塔两大类。板式塔内沿塔高装有若干层塔板(或称塔盘)，液体靠重力作用由顶部逐板流向塔底，并在各块板面上形成流动的液层；气体则靠压强差推动，由塔底向上依次穿过各塔板上的液层而流向塔顶。气、液两相在塔内进行逐级接触，两相的组成沿塔高呈阶梯式变化。填料塔内装有各种形式的固体填充物，即填料。液相由塔顶喷淋装置分布于填料层上，靠重力作用沿填料表面流下；气相则在压强差推动下穿过填料的间隙，由塔的一端流向另一端。气、液在填料的润湿表面上进行接触，其组成沿塔高连续地变化。目前在工业生产中，当处理量大时多采用板式塔，而当处理量较小时多采用填料塔。蒸馏操作的规模往往较大，所需塔径常达一米以上，故采用板式塔较多；吸收操作的规模一般较小，故采用填料塔较多。 板式塔结构简图1气体出口2液体入口3塔壳4塔板5降液管6出口溢流偃7气体入口8液体出口浮阀塔板的结构原理浮阀塔板的结构特点是在塔板上开有若干个阀孔，每个阀孔装有一个可上下浮动的阀片，阀片本身连有几个阀腿，插入阀孔后将阀腿底脚拨转90，以限制阀片升起的最大高度，并防止阀片被气体吹走。阀片周边冲出几个略向下弯的定距片，当气速很低时，由于定距片的作用，阀片与塔板呈点接触而坐落在阀孔上，在一定程度上可防止阀片与板面的粘结。操作时，由阀孔上升的气流经阀片与塔板间隙沿水平方向进入液层，增加了气液接触时间，浮阀开度随气体负荷而变，在低气量时，开度较小，气体仍能以足够的气速通过缝隙，避免过多的漏液；在高气量时，阀片自动浮起，开度增大，使气速不致过大。浮阀塔板的优点是结构简单、造价低，生产能力大，操作弹性大，塔板效率较高。其缺点是处理易结焦、高粘度的物料时，阀片易与塔板粘结；在操作过程中有时会发生阀片脱落或卡死等现象，使塔板效率和操作弹性下降。 塔设备主要有三个参数作为其性能好坏的评价指标，即通量、分离效率和操作弹性。通量是指单位塔截面的生产能力，其表征塔设备的处理能力和允许的空塔气速。分离效率是指单位压力降的分离效果，板式塔以板效率表示，填料塔以等板高度表示。操作弹性即塔的适应能力，表现为对处理物料的适应性和对气液负荷波动的适应性。塔的通量大、分离效率高、操作弹性大，塔的性能就好。第一部分：工艺计算第一节 物料衡算1) 塔顶产品量按7200小时/年考虑，摩尔流量(C2H4): =128.74kmol/h2) 塔釜,塔顶流量及组成表1 进料各组分组成及性质组 分C2H4C2H6C3H6CH4沸 点-103.7-88.6 oC-47.7-161.5分子量28.0530.0742.0816.04组成0.889890.098430.005100.00658选择乙烯为轻关键组分，乙烷为重关键组分，比乙烯沸点低的甲烷是轻组分，比乙烷沸点高的丙烯是重组分，两关键组分挥发度相差较大，且两者是相邻组分，为清晰分割情况，比重关键组分还重的丙烯在塔顶不出现，比请关键组分还轻的甲烷在塔顶不出现。 这样塔顶馏出液由甲烷乙烯和少量乙烷组成。塔釜由丙烯乙烷和少量乙烯组成。 规定：塔顶乙烷含量，1说明此泡点温度过高。假定温度为-10OC=1.340.00303+0.930.9474+0.280.04954=0.8991假定温度为-2OC=1.540.00303+1.240.9474+0.330.4954=1.00003所以：塔釜温度为-2OC2）塔顶温度的确定采用全凝器。 采用P-T-K图查出ki值计算 y=KX 塔顶温度=1假设露点温度为-20=+=0.9131试差法： -25+1=-24.05所以：塔顶温度为-24OC3）进料温度查P-T-K图，计算 y=KX=1假设泡点进料且温度为-20=1.340.88989+0.9270.09843+0.2670.0051+5.550.006581说明此进料温度过高假设进料温度为-23=1.010.08989+0.6820.09843+0.1790.0051+5.050.00658=1.00006所以：进料温度为-23OC对塔的各部位温度列于下表中 表4 塔的温度列表 塔底塔顶进料-2-24-23第三节 塔板数的计算1）确定最小回流比假定塔内各组分的相对挥发度恒定，且为衡分子流，由恩德无德公式视差求。+=1-q （1）+=RM+1 （2）式中：XFA,XFB,XFC进料中A，B，C组分的分子分数； XPA，XPB，XPC塔顶组分A，B，C组分的分子分数； q 进料热状态参数。泡点进料，q=1;有关数据及 i列表如下： 表5组分C2H4C2H6C3H6CH4XF0.8840.098430.00510.006581XP0.9920.00099900.00731KI1.010.6820.1795.05i1.4810.267.4将数据带入（1）式中：试取计算： =1.533 (1)式=0.07530 =1.35 (2)式=-0.0374 0内插法得=1。48，将带入（2）式，求的Rm,解得： Rm=2.2664取回流比R=1.5Rm=3.42）确定最小理论板数理论回流比可取为1.5 R=3.263）确定理论板数理论板层数由芬斯克方程求N N=31.256=0.3469查吉利兰图得=0.36 解得N=43.2 取44块（不包括再沸器）所以：理论塔板数为44块。4）实际塔板数E=0.49（）塔顶，塔釜的平均温度 T=-13查烃类P-T-k图，得平衡常数： KC2H4=1.455, KC2H6=0.839相对挥发度为：=1.7432=0。889890。07+0。098430.07+0.00510.0051+0.006580.02=0.06999 解得E=0.822所以：实际板数N=44/0.882=53.5取55块5）确定进料板位置精馏段板数 n= （1）提留段板数 m= （2）m+n=54 （3）（注 为轻关键组分对重关键组分相对挥发度，取塔顶、进料、塔釜三处得几何平均值）（）=1.642（）=1.732则n=21.87 取22块则提留段板数为m=54-32=32第四节 塔径计算1）精馏段塔径a) 气液相负合及重度精馏段以塔顶为计算基准，表6 塔顶各组分得临界性质列组分%（分子）P（kg/cm）P%（分子）TT%（分子）分子量MM%（分子）C2H40.99250.4830.076282.9280.628.0527.8C2H60.00099948.290.0482305.330530.070.07CH40.007345.790.334190.91.3910.040.117合计150.46282.327.947对比压力：=0.42对比温度：=0.882查得压缩系数Z=0.75塔顶上升蒸汽量：G=VD=（R+1）D=571kmol/h体积流量：=416.4立方米/小时塔顶上升蒸汽重度： v =38.32kg/m3表7 进料各组分得临界性质组分%（分子）P（kg/cm）P%（分子）TT%（分子）分子量MM%（分子）C2H40889893048 44.922282.9251.7528.0524.96C2H60.0984348.294.75305.330.0530.072.96C3H60.005145.370.23364.91.8644.090.215CH40.0065845.790.3190.91.2616.040.11合计50.2284.9228.25对比压力：=0.418对比温度：=0.872查得压缩系数Z=0.691体积流量：=0.107M3/S精馏段气相负合：=0.113M3/S表8 塔底各组分得临界性质组分%（分子）P（kg/cm）P%（分子）TT%（分子）分子量MM%（分子）C2H4000303504801532829085728050085C2H60987048564587305828963092845C3H600495645761908305.3281.425530.0727.7185CH4045.3719091604合计1457930833076对比压力：=0.436对比温度：=0.879查得压缩系数Z=0.70上升蒸汽量：G=VD=（R+1）D=（3.26+1）124.849=571公斤/小时体积流量：=422.9立方米/小时查轻碳氢化合物数据手册 图2-15、2-17 得各组分重度； 表9 塔顶各组分重度组分C2H4C2H6C3H6CH4重度042504650表10 进料各组分重度组分C2H4C2H6C3H6CH4重度04210462054表11 塔釜各组分重度组分C2H4C2H6C3H6CH4重度03504270555塔顶各组分质量流量百分比： qDC2H4=0.928 qDC2H6=0.001 qDCH4=0.0042 解得 lD =0.4575塔底各组分质量流量百分比：QwC2H4=0.00276 qwC2H6=0.9363 qwCH4=0.0712解得lWw=0.4339则精馏段液相重度=445.5kg/m3 液相负荷 = 26.95m3/h 动能参数=0.2236取板间距H=0.4m 塔板上清液层高度为=0.07m查史密斯关联图得C=0.05查轻碳化合物图4-1、4-2得表面张力表12 混合液的表面张力甲烷乙烯乙烷丙烯03.486.2113.6=0.99163.6+0.0016.2=3.46由式=（）得=0.0352塔顶最大空塔速度 Wmax=C=0.1136m/s空塔气速W=0.7W=0.70.1142=0.0795m/s精馏段塔径D=1.335m取精馏段塔径D=1.4m精馏段实际空塔气W=0.072m/s相应的空塔动能因数为F=0.072=5.62）提馏段塔径提馏段气象重度=V/Vs=43。52提馏段液相重度=430。69提馏段液相负荷=0。1121m3/s则提馏段气相负荷：Ls=RD+qF=38.12m3/h查史密斯关联图得C=0.045查轻碳化合物图4-1、4-2得表面张力c2h4=1.21 Pc2h6=3.59 Pc3h6=10.49混合液的表面张力=3.925=0.0325最大空塔速度: Wmax=C=0。0969空塔气速：W=0.7W=0。0678m/s提馏段塔径D=1.45; 取塔径1。4m馏段实际空塔气W=0.073m/s第五节 塔内物件的工艺尺寸1）、溢流程数的选择根据塔径1.4米，液相负荷3040m 3/h，查有机化合物表9-5可知选单流型即可满足要求。采用工型浆液板，分块式塔盘。2）、校核溢流强度堰长： lW=0.7D=0.71.4=0.98m。 精馏段校核：i=ls/lw=27.5m 3/h;提馏段校核：I=ls/lw=38.9 m 3/h;3)、塔堰高的确定Hl=hw+how hl塔板上清液层高度; hww 出口堰高度 how堰上清液层高度精馏段： how=0.03459提留段： how=0.0374)降液管面积查浮阀塔表3-3知=0.143 =0.0878塔板面积A=0.7851.4=1.54堰宽W=0.1431.4=0.2m溢流面积A=0.878 A=0.13855）校核液体在降液管内停留时间精馏段t=7.4s5s提馏段t=5.2s5s降液管出口处的流体流速：精馏段： Ud=Ls/Af=0.054m/s;提馏段： Ud=ls/Af=0.77m/s6） 降液管下端距塔盘的距离h：h=w降液管下端出口处的流速一般取0.070.25m/s 可取0.2m/s精馏段ho=0.0382mh=0.07m提馏段ho=0.054h=0.07m取距离为：h=0,05m7）浮盘数采用F-1重阀, 阀孔直径为39。精馏段临界阀孔气速 ：=1.387m/s提馏段临界阀孔气速: =1.326m/s开孔率100%=5。2%阀孔总面积：精馏段： A=0。08m2提馏段: A=0.0847m2精馏段阀数: N=67个提馏段阀数: N=70个精馏段与提馏段取相同的阀孔数：为68个。8)塔盘的布置安定区Wf=0.06m; 无效区Wc=0.05m按照等边三角形叉排列 则中心距t=105mm.第六节 流体力学验算1）气体流过塔板的压降正常操作，浮阀全开。干板压力降:hp=hc+hl+h全开前:hc=0.7=0.000685米液柱全开后hc=5.34=0.046米水柱hl=0.4hw+how=0.40.43+0.027=0.0442米水柱克服表面张力压降h可忽略hp=hl+ho=0.074米水柱2) 液泛校核逸流管内液成高度： Hd=hl+hp+hd+hvhd=0.153=0.042米液柱对hv可忽略不计，对浮阀塔可忽略不计又因操作压力小于30大气压hv可以忽略，故溢流管内液层高度Hd=hl+hp+hd=0.144米取充气因子=0.5，（HT+hw）=0.5(0.4+0.0374)=0.2180.144所以可以避免液泛。3）雾沫夹夹带情况精馏段V=0.033立方米/秒提馏段V=0.0346立方米/秒Z=d-2Wd=1.4-20.2=1.0mAa=AT-2Af=1.54-20.135=1.27立方米K取0.85CF查基本有机化学工程图9-28可知CF=0.107则精馏段:F1=33.380%提馏段F1=38.3% 15 须考虑高振型影响。I-I截面地震弯矩：-截面地震弯矩：4）风载荷和风弯矩计算： 将塔沿高分成6段（如图4所示） 图4表16塔段号项目123456塔段长度m055101015152020252530441N/m20.7（B类）3.086（B类）0.720.7f20.790.790.850.850.05460.2750.360.5720.7910.811.141.251.7151.81.151.611.772.122.212.46塔段号项目123456 mm500050005000500050005100 mm400 mm500 mm2324330057757238950513596158840-0截面风弯矩:=1.045065109Nmm截面风弯矩：II-II截面风弯距 ME=0.4P1（ ）+P2（L1-3000+ ）+P3（L1-3000+L2+）=8.8817108Nmm5) 最大弯矩塔底部见面00处： 取其中较大值截面:II-II截面第三节 应力校核1) 圆筒应力校核：验算塔壳截面处操作时和压力实验时的强度和稳定性计算截面计算截面以上的塔操作质量31300计算截面的横截面积48380塔壳有效厚度11mm计算截面的截面系数1.692107最大弯矩8.82105许用轴向压应力取小值（k取1.2）192Mpa许用轴向拉应力195.6Mpa操作压力引起轴向拉应力66.8MPa重力引起轴向应力6.34MPa弯矩引起的轴向应力52.5Mpa轴向压应力6.34+52.5192组合拉应力66.8-6.34+52.5192液柱静压力（ 26.88Mpa液压试验时计算截面以上的塔的质量2975kg许用轴向压应力 取小值192 Mpa许用轴向拉应力340.2许用周向应力283.5 Mpa周向应力压力引起的轴向应力83.5 Mpa重力引起的轴向应力13.8 Mpa弯矩引起的轴向应力15.75 Mpa轴向压应力29.55168组合拉应力85.451762) 裙座壳轴向应力校核：a、00截面裙座壳为圆筒形材料为16计算系数： 查得B=160Mpa 该塔由风弯矩控制所以不计底部截面积：底部截面系数： 取195.6Mpa 取19.56Mpab、管线因出口截面处的组合应力： ,bm=450mm,lm=110mm,Dim=1398mmAsm=Dim=54232mm2截面系数：zsm=1.6751073应力校核： 即： 263My所以：Ms=Mx=11632Nmm基础环的厚度： 取2）地脚螺栓计算：地脚螺栓承受的最大拉应力：= （最大值）得=2。45Mpa.地脚螺栓螺纹小径计算：腐蚀余粮取3mm. 材料Q235A.选用螺栓M364则地脚螺栓M364，共16个3）肋板计算：L2=138mm; =14mm; n1=2;一个地脚螺栓所承受的最大拉力：肋板细长比：临界细长比： 故肋板许用压应力：其中：则肋板压应力：所以：4）盖板计算：盖板为有垫板的环形盖板式中：； ； ； ; 最大应力：所以：盖板厚度16mm，垫板厚度22mm裙座与塔壳对接连接焊逢校核：即 36.3117焊逢验算合格。第五节 补强计算1）塔顶蒸汽出孔接管的材料为20#钢，壳体材料为16MnDRfr强度削弱系数：（1）所削弱面积：其中为开孔出计算厚度，封头为标准椭圆形封头=10.5mm接管的有效厚度: =6-1.5=4.5mm开口直径：d=di+2c=209所以：A=（100+12）11.3+211.34.5（1-0.84）=12181.92（2）有效补强范围a、有效宽度B= 取大值B=418mmb、有效高度 =25.9mm外侧有效高度：h1=53.4 取小h1=35.4m内侧有效高度:h2= 取小h0=0mm(3)有效补强面积封头多余金属面积A1=（B-d）(e-)-2et（e-）（1-fr）=103mm2接管的计算厚度=1.85mm2A2=2h1(et-t)fr+2h2（et-c）fr=187mm2接管区焊缝面积:A3=20.566=362有效补强面积:Ae=A1+A2+A3=3262另外所须补强面积:A4=A-Ae=18852根据公称直径Dg200,采用补强圈补强.2) 人孔的补强计算人孔筒节的材料为16MnDR，壳体材料为16MnDRfr强度削弱系数:（1）所削弱面积：其中为开孔出计算厚度，筒壳的厚度=9.95mm接管的有效厚度: =12-1=11mm;开口直径：d=di+2c=458所以：A=1842（2）有效补强范围a、有效宽度B= 取大值B=916mmb、有效高度 =74.1mm外侧有效高度：h1=53.4 取小h1=53.4mm内侧有效高度:h2= 取小h0=0mm(3)有效补强面积筒体多余金属面积:A1=（B-d）(e-)-2et（e-）（1-fr）=232mm2接管的计算厚度=3.57mm接管多余金属面积：A2=2h1(et-t)fr+2h2（et-c）fr=1296mm2接管区焊缝面积:A3=20.566=362有效补强面积:Ae=A1+A2+A3=22842另外所须补强面积:A4=A-Ae=4572-2284=22882根据公称直径Dg450,采用补强圈补强.3) 进料管接管补强筒节的材料为16MnDR，壳体材料为16MnDRfr强度削弱系数:（1）所削弱面积：其中为开孔出计算厚度，筒壳的厚度=9.95mm接管的有效厚度: =4-1=3mm;开口直径：d=di+2c=184mm所以：A=1842（2）有效补强范围a、有效宽度B= 取大值B=368mmb、有效高度 =33.2mm外侧有效高度：h1=53.4 取小h1=33.2mm内侧有效高度:h2= 取小h0=0mm(3)有效补强面积筒体多余金属面积:A1=（B-d）(e-)-2et（e-）（1-fr）=94mm2接管的计算厚度=1.72mm接管多余金属面积：A2=2h1(et-t)fr+2h2（et-c）fr=164mm2接管区焊缝面积:A3=20.566=362有效补强面积:Ae=A1+A2+A3=3022另外所须补强面积:A4=A-Ae=16352根据公称直径Dg450,采用补强圈补强. 第三部分 吊柱的强度计算1）设计载荷设计载荷：W=2.2W0 式中W0起吊载荷 N0,取100kg;W=2200N;吊柱材料为20#无缝钢管，其他各件采用Q235A, 吊柱与塔连接的衬板应与塔本体材料相同。2) 曲杆部分的校核 吊柱的受力图如下： 图5吊柱受载荷情况如上图所示 AD段可按受弯矩及轴向力作用的曲杆计算，其中轴向压缩应力:=0.82Mpa 弯矩发生的最大值发生在A点，在A点的内侧受压缩，压应力=0.19MPa 在A点外侧手到拉伸应力=0.187MPa 是压应力，而且其值大于.断换算系数： =2.7最大应力: 2）柱的校核吊柱的AB段可视为B端固定，A端受自由载荷的长柱。柱中的应 (Pa)计算式为： 最大应力出现于处，展开sec并舍去高次相得其中 吊柱断面中心至断面任一小单元的距离cm，ri吊柱断面的惯性半径 E弹性模量LAB段的长度 L=3400-900-1000=1500mm对于圆管ri=17.4=0.77310(-6)=1.06 MPa在此温度下20#钢的许用应力t=130 Mpa所以吊柱校核合格参考文献1. 姚玉英等.化工原理，下册.天津：天津大学出版社，1999.82. 化工设备设计手册编写组.金属设备，上册：上海人民出版社，1975.73. 化工设备设计手册编写组.金属设备，下册：上海人民出版社，1975.74. 化工设备设计手册编写组.材料与零部件，（上）：上海人民出版社，1973.85. 化学工业部设计技术中心站，广西大学.塔设备设计：上