苯-甲苯连续精馏塔机械设计.doc

目目 录录 第一章第一章 绪论绪论 1 1 1 设计题目 1 1 2 精馏及精馏流程 1 1 3 精馏的分类 1 1 4 精馏塔的工作原理 2 1 5 精馏操作的特点 2 1 6 塔板的类型与选择 3 第二章第二章 精馏塔的设计任务精馏塔的设计任务 4 2 1 精馏塔的工艺参数 4 2 2 设计内容 4 2 3 工艺流程设计方案 5 第三章第三章 精馏塔的工艺设计计算精馏塔的工艺设计计算 6 3 1 设计方案的确定 6 3 2 精馏塔的物料衡算 6 3 2 1 原料液 塔顶和塔釜产品的摩尔分数 6 3 2 2 原料液 塔顶和塔釜产品的平均摩尔质量 6 3 2 3 物料衡算 6 3 3 塔板数的确定 7 3 3 1 理论塔板数的确定 7 3 3 2 求实际塔板数 10 3 4 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 10 3 4 1 操作压力 10 3 4 2 操作温度 10 3 4 3 平均摩尔质量 10 3 4 4 平均密度 11 3 4 5 液相平均表面张力 11 3 4 6 液相平均黏度 12 3 5 精馏塔的塔体工艺尺寸计算 12 3 5 1 塔径的计算 12 3 5 2 精馏塔有效高度的计算 13 3 6 塔板主要工艺尺寸的计算 14 3 6 1 溢流装置计算 14 3 6 2 塔板布置及浮阀数目与排列 16 3 7 塔板流体力学验算 18 3 7 1 气相通过浮阀塔板的压降 18 3 7 2 淹塔 20 3 7 3 雾沫夹带 20 3 8 塔板负荷性能图 22 3 8 1 雾沫夹带线 22 3 8 2 液泛线 22 3 8 3 液相负荷上限线 23 3 8 4 漏液线 23 3 8 5 液相负荷下限线 24 3 9 计算结果汇总 25 第四章第四章 精馏塔机械设计精馏塔机械设计 27 4 1 选材 27 4 2 塔器壁厚及质量计算 27 4 2 1 塔器壁厚计算 27 4 2 2 塔的质量计算 28 4 3 塔体强度与稳定性校核 32 4 3 1 塔的基本自振周期计算 32 4 3 2 地震载荷计算 32 4 3 3 风载荷的计算 35 4 3 4 各种载荷引起的轴向应力 38 4 3 5 筒体和裙座危险截面的强度与稳定性校核 40 4 3 6 筒体和裙座水压试验应力校核 41 4 4 基础环厚度计算 43 4 5 地脚螺栓计算 44 4 5 1 地脚螺栓计算承受的最大压力 44 4 5 2 地脚螺栓直径 44 4 5 3 裙座与塔壳连接焊缝验算 44 4 6 开孔与孔补强计算 45 4 6 1 填料上下塔段连接部位的补强计算 45 4 6 2 有效补强范围 46 4 6 3 有效补强面积 46 4 7 接管的选用 47 4 8 接管法兰的选取 48 第五章第五章 塔设备的制造及安装塔设备的制造及安装 50 5 1 制造要求 50 5 2 组装要求 51 5 3 封口前的检查 52 心得体会心得体会 53 参考文献参考文献 55 0 第一章 绪论 1 1 设计题目设计题目 苯 甲苯连续精馏塔的工艺设计 浮阀塔 1 2 精馏及精馏流程精馏及精馏流程 精馏是多级分离过程 即同时进行多次部分汽化和部分冷凝的过程 因此可是混合 物得到几乎完全的分离 精馏可视为由多次蒸馏演变而来的 精馏操作广泛用于分离纯 化各种混合物 是化工 医药 食品等工业中尤为常见的单元操作 化工成产中 精馏 主要用于以下几种目的 1 获得馏出液塔顶的产品 2 将溶液多级分离后 收集馏出液 用于获得甲苯 氯苯等 3 脱出杂质获得纯净的溶剂或半成品 如酒精提纯 进行精馏操作的设备叫做精 馏塔 精馏过程中采用连续精馏流程 原料液经预热器加热到指定温度后 送入精馏塔的 进料板 在进料板上与自塔顶上部下降的回流液体汇合后 逐板溢流 最后流入塔底再 沸器中 在每层板上 回流液体与上升蒸汽互相接触 进行热和质的传递过程 操作时 连续地从再沸器取出部分液体作为塔底产品 部分汽化 产生上升蒸汽 依次通过各层 塔板 塔顶蒸汽进入冷凝器中被全部冷凝 并将部分冷凝液用泵送回塔顶作为回流液体 其余部分经冷却器后被送出作为塔顶产品 根据精馏原理可知 单有精馏塔还不能完成 精馏操作 必须同时拥有塔底再沸器和塔顶冷凝器 有时还有配原料液 预热器 回流 液泵等附属设备 才能实现整个操作 1 3 精馏的分类精馏的分类 按操作方式可分为 间歇式和连续式 工业上大多数精馏过程都是采用连续稳定的操 1 作过程 化工中的精馏操作大多数是分离多组分溶液 多组分精馏的特点 能保证产品质量 满足工艺要求 生产能力大 流程短 设备投资费用少 耗能量低 收率高 操作费用低 操作管理方便 1 4 精馏塔的工作原理精馏塔的工作原理 塔设备的工作原理是通过内部结构使气液两相或液液之间充分接触 实现质量传递 和热量传递 它是一种重要的单元操作设备 在石油化工 炼油 医药及环境保护等工 业部门应用广泛 蒸馏装置包括精馏塔 原料预热器 蒸馏釜 再沸器 冷凝器 釜液 冷却器和产品冷却器等设备 蒸馏过程按操作方式的不同 分为连续蒸馏和间歇蒸馏两 种流程 连续蒸馏具有生产能力大 产品质量稳定等优点 工业生产中以连续蒸馏为主 间歇蒸馏具有操作灵活 适应性强等优点 适合于小规模 多品种或多种组分物系的初 步分离 本设计主要内容 主要是工艺设计部分 塔板的类型和选择 操作压力的选择 精 馏塔的物料衡算 确定塔高 塔径 理论塔板数 全塔效率 塔顶及塔底产品的预分配 溢流装置的设计 塔板流体力学验算 气相通过筛板塔的压强降等 本次设计的题目是 苯 甲苯连续精馏塔的工艺设计 选用筛板式塔 此塔具有生产能力较大 操作弹性 大 液面落差也较小 压力降小 结构简单 造价低等特点 发展前途广泛 主要应用 于石油 化工 轻工 医药及环境保护等领域 1 5 精馏操作的特点精馏操作的特点 从上述对精馏过程的简单介绍可知 常见的精馏塔的两端分别为汽化成分的冷凝和 液体的沸腾的传热过程 精馏塔也就是一种换热器 但和一般的传热过程相比 精馏操 作又有如下特点 1 沸点升高 2 精馏的溶液中含有沸点不同的溶剂 在相同的压力下溶液的蒸汽压较同温度下纯溶 剂的汽化压低 使溶液的沸点高于醇溶液的沸点 这种现象称为沸点的升高 在加热汽 化温度一定的情况下 汽化溶液时的传热温差必定小于加热纯溶剂的纯温差 而且溶液 的浓度越高 这种影响也越显著 2 物料的工艺特性 精馏溶液本身具有某些特性 如某些物料在加入到溶液中时可与溶液中的某一组分 或几组分形成恒沸液等 如何利用物料的特性和工艺要求 选择适宜的精流流程和设备 是精馏操作彼此需要知道和必须考虑的问题 3 节约能源 精馏汽化的溶剂量较大 需要消耗较大的加热蒸汽 如何充分利用热量提高加热蒸 汽的利用率是精馏操作需要考虑的另一个问题 1 6 塔板的类型与选择塔板的类型与选择 塔板是板式塔的主要构件 分为错流式塔板和逆流式塔板两类 工业应用以错流 式 塔板为主 常用的错流式塔板有 泡罩塔板 筛孔塔板和浮阀塔板 我们应用的是浮 阀塔板 因为它是在泡罩塔板和筛孔塔板的基础上发展起来的 它吸收了两种塔板的优 点 它具有结构简单 制造方便 造价低 塔板开孔率大 生产能力大 由于阀片可随 气量变化自由升降 故操作弹性大 因上升气流水平吹入液层 气液接触时间较长 故 塔板效率较高 3 第二章 精馏塔的设计任务 2 1 精馏塔的工艺参数精馏塔的工艺参数 1 进精馏塔的料液含苯 35 质量 其余为甲苯 2 产品的苯含量不得低于 98 质量 3 釜液中苯含量不得高于 3 0 质量 4 生产能力为年 8000 小时 产 16 万吨 98 质量 的苯产品 5 操作条件 1 精馏塔塔内压强 常压 2 进料热状态 泡点 3 回流比 自选 4 加热蒸汽 低压饱和蒸汽 5 单板压降 0 7kPa 6 塔顶压强 35kPa 表压 6 设备型式 浮阀塔 7 厂址为锦州地区 2 2 设计内容设计内容 1 确定精馏装置流程 2 精馏塔的工艺设计 塔板数基础数据的查取及估算 工艺过程的物料衡算及热量衡算 理论 塔板效率 实际塔板数 板间距 塔径 塔高 溢流装置 塔盘布置 流体力学验算 操作负荷性 能图及操作弹性等等 3 精馏塔的机械设计 选材 壁厚质量计算 载荷的校核 如地震载荷风弯距计算等 开孔补强等等 4 主要附属设备设计计算及选型 4 2 3 工艺流程设计工艺流程设计方案方案 工艺流程 原料液由高位槽经过预热器预热后进入精馏塔内 操作时连续的从再沸器 中取出部分液体作为塔底产品 釜残液 再沸器中原料液部分汽化 产生上升蒸汽 依 次通过各层塔板 塔顶蒸汽进入冷凝器中全部冷凝或部分冷凝 然后进入贮槽再经过冷 却器冷却 并将冷凝液借助重力作用送回塔顶作为回流液体 其余部分经过冷凝器后被 送出作为塔顶产品 为了使精馏塔连续的稳定的进行 流程中还要考虑设置原料槽 产 品槽和相应的泵 有时还要设置高位槽 为了便于了解操作中的情况及时发现问题和采取 相应的措施 常在流程中的适当位置设置必要的仪表 比如流量计 温度计和压力表等 以测量物流的各项参数 5 第三章 精馏塔的工艺设计计算 3 1 设计方案的确定设计方案的确定 本设计任务为分离苯和甲苯二元混合物 故采用常压下的连续精馏装置 本设计 采用泡点进料 将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内 塔顶上升蒸汽用全凝 器冷凝 冷凝液在泡点温度下一部分回流至塔内进一步精馏 其余部分作为产品经冷却 器冷却后送入储罐 该物系属易分离物系 故采用的最小回流比较小 操作回流比取最 小回流比的 1 5 倍 塔釜采用间接蒸汽加热 塔釜产品经冷却后送入储罐 3 2 精馏塔的物料衡算精馏塔的物料衡算 3 2 1 原料液 塔顶和塔釜产品的摩尔分数原料液 塔顶和塔釜产品的摩尔分数 苯的摩尔质量 kmol kg78 A M 甲苯的摩尔质量 kmol kg92 B M 0 35 78 0 39 0 35 780 65 92 F x 0 98 78 0 983 0 98 780 02 92 D x 0 03 78 0 035 0 03 780 97 92 W x 3 2 2 原料液 塔顶和塔釜产品的平均摩尔质量原料液 塔顶和塔釜产品的平均摩尔质量 0 39 780 61 9286 54 F M kg kmol 0 983 780 017 9278 24 D M kg kmol 0 035 780 965 9291 51 W M kg kmol 3 2 3 物料衡算物料衡算 原料处理量 2 104 231 11 86 54 F kmol h 对苯进行物料衡算 231DW 6 0 9830 035231 11 0 3990 13DW 联立解得 86 55kmol hD 144 45kmol hW 3 3 塔板数的确定塔板数的确定 3 3 1 理论塔板数的确定理论塔板数的确定 苯 甲苯属二元理想物系 采用图解法求理论塔板数 苯 甲苯气液平衡与温度关系 见附表一 表表 1 1 苯苯 甲苯气液平衡与温度关系表甲苯气液平衡与温度关系表 苯的摩尔分数苯的摩尔分数 液相汽相 温度 C 液相汽相 温度 C 0 00 0110 659 278 989 4 8 821 2106 170 085 386 8 20 037 0102 280 391 484 4 30 050 098 690 395 782 3 39 761 895 295 097 981 2 48 971 092 1100 0100 080 2 1 由苯 甲苯气液平衡数据绘图 见附图 1 yx 7 附图附图 1 1 2 求最小回流比和操作回流比 由附图 1 可知 0 39 q x 0 609 q y 则最小回流比为 min 0 9830 609 1 71 0 6090 39 Dq qq xy R yx 操作回流比 min 1 52 56RR 3 求精馏塔的汽液相负荷 2 56 86 55221 57LRD kmol h 1 2 56 1 86 55308 12VRD kmol h 221 57 1 231 11452 68LLqF kmol h 1 308 12VVq F h kmol 4 操作线方程 精馏段操作线方程 8 12 561 0 9830 720 28 112 56 13 56 D R yxxxx RR 提馏段操作线方程 452 68144 45 0 0351 470 016 308 12308 12 W LW yxxxx VV 5 图解法求理论塔板数 由附图 1 可知 总理论塔板数 其中 不包括再沸器 15 T N 7 T N 精 8 T N 提 6 估算全塔效率 因塔顶为全凝器 则塔顶第一块塔板处气相组成 由附图 1 知第一 1 0 983 D yx 块塔板处液相组成 进料板处液相组成 气相组成 塔底 1 0 958x 0 39 F x 0 609 F y 液相组成 气相组成 0 035 W x 0 050 W y 则塔顶 进料板和塔底相对挥发度为 0 958 0 983 1 0 9581 D D 0 39 0 609 10 39 1 F F 0 035 0 05 10 0351 W W 解得 2 471 D 2 44 F 1 451 W 塔内平均相对挥发度为 3 3 2 47 2 44 1 4512 06 mDFW 由气液平衡数据估算温度 82 D tC 92 F tC 110 W tC 则塔内平均温度 941109282 3 3 WFDm ttttC 进料液组成 在 94时苯和甲苯黏度分别为0 39 A x 0 61 B x C smPa26 0 A smPa30 0 B 0 39 0 260 61 0 300 284 LiiAABB xxx 由法得全塔效率connellO 0 250 25 0 49 0 49 2 06 0 284 0 56 omL E 9 3 3 2 求实际塔板数求实际塔板数 精馏段塔板数 8 0 5614 2815 opT NNE 精精 提馏段塔板数 7 0 5612 513 opT NNE 提提 3 4 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 3 4 1 操作压力操作压力 塔顶操作压力 101 3335136 33 D p kPa 进料板处压降 136 330 7 15146 83 F p kPa 塔底压降 136 330 7 15 13 155 93 W p kPa 精馏段平均压降 136 33 146 83 141 58 2 m p kPa 3 4 2 操作温度操作温度 依据操作压力 由泡点方程 通过试差计算出泡点温度 其中 苯 甲苯的饱和蒸 汽由安托尼方程计算 计算过程略 故塔顶 进料板和塔底温度分别为 82 5 D t C 96 7 F t C 115 6 W t C 精馏段平均温度 82 596 2 89 35 22 DF m tt t C 3 4 3 平均摩尔质量平均摩尔质量 塔顶气相和液相平均摩尔质量 其中 1 0 983 D yx 1 0 958x 0 958 780 042 9278 59 LDm M kg kmol 0 983 780 017 9278 24 VDm M kg kmol 进料板处气相和液相平均摩尔质量 由附图 1 知 0 59 F y 0 37 F x 0 37 780 63 9286 82 LFm M kg kmol 0 59 780 41 9283 74 VFm M kg kmol 10 精馏段气相和液相平均摩尔质量 78 5986 82 82 71 22 LDmLFm Lm MM M kg kmol 78 2483 74 80 99 22 VDmVFm Vm MM M kg kmol 3 4 4 平均密度平均密度 1 气相平均密度 由理想气体状态方程计算 即 141 58 80 99 3 804 8 314 273 1589 4 mVm Vm m p M RT 3 kg m 2 液相平均密度 液相平均密度计算公式 ii m w 1 塔顶液相平均密度 由 查得 82 5 D t C 3 m kg 9 812 A 3 m kg 5 809 B 塔顶液相的质量分数 91 0 92079 0 78921 0 78921 0 A w 6 812 5 80909 0 9 81291 0 1 LDm 3 kg m 进料板液相平均密度 由 查得 96 7 F t C 3 m kg 0 797 A 3 m kg 2 795 B 进料板液相的质量分数 0 37 78 0 332 0 37 780 63 92 A w 1 795 8 0 332 797 00 668 795 2 LFm 3 kg m 精馏段液相平均密度 812 8795 8 804 3 22 LDmLFm Lm 3 kg m 3 4 5 液相平均表面张力液相平均表面张力 液相平均表面张力计算公式 iiLm x 塔顶液相平均表面张力 由 查得82 5 D t C m N102 21 3 A m N104 21 3 B 11 0 958 21 20 042 21 421 21 LDm 3 10 N m 进料板液相平均表面张力 由 查得96 7 F t C m N10 4 19 3 A m N108 19 3 B 0 37 19 40 63 19 819 65 LFm 3 10 N m 精馏段液相平均表面张力 21 21 19 65 20 43 22 LDmLFm Lm 3 10 N m 3 4 6 液相平均黏度液相平均黏度 液相平均黏度计算公式 iiLm x lglg 塔顶液相平均黏度 由 查得82 5 D t C 0 32Pa s A M 0 33Pa s B M 0 958 0 320 042 0 330 32 LDm Pa s M 进料板液相平均黏度 由 查得96 7 F t C 0 25Pa s A M 0 27Pa s B M 0 37 0 250 63 0 270 263 LFm mPa s 精馏段液相平均黏度 0 3200 263 0 291 22 LDmLFm Lm Pa s M 3 5 精馏塔的塔体工艺尺寸计算精馏塔的塔体工艺尺寸计算 3 5 1 塔径的计算塔径的计算 1 最大空塔气速和空塔气速 最大空塔气速计算公式 V VL Cu max 精馏段气 液相体积流率为 12 221 57 82 71 0 0063 36003600 804 3 Lm V L Lm LM q 3 m s 308 12 80 99 1 822 36003600 3 804 Vm V V Vm VM q 3 m s 由 关联图查 其中横坐标为BRSmith 20 C 1 2 1 2 0 0063804 3 0 050 1 8223 804 V L Lm V VVm q q 取板间距 板上液层高度 则m45 0 T Hm05 0 L h 4 005 0 45 0 LT hH m 查 化工原理课程设计 图 3 3 得 则 086 0 20 C 0 20 2 20 20 42 0 0860 086 2020 Lm CC max 804 33 804 0 0861 248 3 804 LV V uC m s 空塔气速 取安全系数为 0 6 则 max 8 0 6 0 uu max 0 60 6 1 2480 75uu m s 2 塔径 4 4 1 822 1 759 3 14 0 75 V V q D u m 按标准化圆整取 1800mmD 塔截面积为 22 3 14 1 82 545 44 T AD 2 m 实际空塔气速为 1 822 0 72 2 545 V V T q u A m s 3 5 2 精馏塔有效高度的计算精馏塔有效高度的计算 精馏段有效高度 1 15 1 0 456 3 Tp ZNH 精精 m 提馏段有效高度 1 13 1 0 455 4 Tp ZNH 提提 m 13 在进料板 精馏段和提馏段各开一个人孔 有人孔处板间距均为 0 8m 故精馏塔的 有效高度 0 8 36 35 40 8 314 1ZZZ 提精 m 塔体总高度计算公式 BFTTpD HHSHHSNHH 2 式中 塔顶空间高度 通常取 m D H T H 0 2 5 1 塔底空间高度 m B H 塔板间距 m T H 开有人孔的塔板间距 m T H 进料板处空间高度 m F H 实际塔板数 个 p N 人孔数目 不包括塔顶空间和塔底空间的人孔 个 S 3 6 塔板主要工艺尺寸的计算塔板主要工艺尺寸的计算 3 6 1 溢流装置计算溢流装置计算 单流型是最简单也是最常用的一种液流型式 此种液流方式液体流径较长 塔板效 率较高 塔板结构简单 加工方便 广泛应用于直径 2 2m 以下的塔中 本次结构设计选 用单溢流弓形降液管 凹型受液盘 各项工艺尺寸计算如下 1 堰长 单溢流堰长取 则 W l W lD 8 0 6 0 0 70 7 1 81 26 W lD m 2 堰高 堰高计算公式 W h wLW hhh 0 选用平直堰 堰上液层高度计算公式 w h0 32 0 1000 84 2 W LV w l q Eh 查液流收缩系数见附图 2 其中横坐标 E 2 52 5 0 0063 3600 12 73 1 26 w L l 14 R lw x Aa D Ws Af A f Wc W s t Wd 7 066 0 D lW 附图附图 2 2 堰长 m 塔径 m 液相流量 W lDLh m3 根据设计经验 为使引起误差满足工程设计要求近似取 则0 1 E 2 3 2 3 0 2 842 840 0063 3600 1 00 02 100010001 26 V L w W q hE l m 堰高为 0 0 050 020 03 WLw hhh m 3 弓形降液管宽度及截面积 d W f A 塔板布置及主要参数见附图 3 查附图 4 其中 7 066 0 D lW 0 15 d W D 0 085 f T A A 0 150 15 1 80 27 d WD m 0 0850 085 2 5450 216 fT AA 2 m 验算液体在降液管中停留时间 附图附图 3 3 15 0 1 0 08 0 06 0 05 0 04 0 03 0 02 0 01 0 40 50 60 70 80 91 0 0 2 0 3 0 4 0 5 Wd D Af A T lw D 3600 3600 0 216 0 45 0 0063 3600 15 43s fT V L A H q 5s 故降液管设计合理 4 降液管底隙高度 0 h 计算公式 取 则 0 0 25m su 0 0 3600 0 0063 0 02 36003600 1 26 0 25 V L W q h l u m 范围内 0 030 020 01m Wo hh 该值在 故降液管隙高度设计合理 附图附图 4 4 6 12mm 3 6 2 塔板布置及浮阀数目与排列塔板布置及浮阀数目与排列 浮阀的型式多样 目前应用最广泛的是 F1 型 其结构简单 制造方便 性能好 省 材料 对于工业生产的浮阀塔 当板上所有阀刚开始全开时 阀孔动能因数在之间 9 12 取 则孔速为 10 0 F 0 0 10 6 15 3 804 Vm F u s m 每层塔板上的浮阀数为 22 00 1 822 248 3 14 0 0396 15 44 V V q N d u 取边缘区宽度 泡沫区 m06 0 c W0 08m s W 鼓泡区面积计算公式 附图附图 5 5 0 0 3600 V L W q h l u 2221 a 2sin 180 x Ax RxR R 16 75 t t 1 8 0 060 84 22 c D RW 1 8 0 270 08 0 55 22 ds D xWW m 2221 a 22212 2sin 180 0 55 20 550 840 550 84sin1 706m 1800 84 x Ax RxR R 浮阀排列方式采用等边三角形叉排 见附图 5 取同一横排的孔心距 则m075 0 mm75 t a 1 706 71mm 248 0 075 A t Nt 取常用值 m08 0 t 按 以等腰三角形叉排方式作图见附图 6 得实际浮阀数0 075mt m075 0 t 个 见附图 7 283N 附图附图 6 6 17 附图附图 7 7 按重新核算孔速及阀孔动能因数 283N 0 22 0 1 822 5 39 3 14 0 039283 44 V V q u d N s m 00 5 393 80410 51 Vm Fu 阀孔动能因数变化不大 仍在范围内 故设计合理 12 9 塔板开孔率在范围内10 14 00 00 0 0 72 10013 4 5 39 u u 3 7 塔板流体力学验算塔板流体力学验算 3 7 1 气相通过浮阀塔板的压降气相通过浮阀塔板的压降 塔板压降计算公式 hhhh lcp 1 干板阻力 c h 临界孔速 11 825 11 825 0 73 173 1 5 05 3 804 c Vm u m s 18 因 则干板压降为 c uu 00 22 0 5 393 804 5 345 340 05 22 9 81804 3 Vm c Lm u h g m 2 板上充气液层阻力 l h 查附图 7 其中横坐标 42 10 0 F 得充气系数 则板上充气液层阻力为 0 0 45 0 0 45 0 050 0225 lL hh m 式中 塔板上清液层高度 l h 充气系数 0 0 80 401 21 62 02 42 8 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 0 0 F0 附图附图 8 充气系数反映板上液层的充气程度 通常取 当液相为水溶液时 0 5 0 6 当液相为油时 故取 0 0 5 0 0 4 0 5 0 0 45 3 克服表面张力所造成的阻力 h 阀塔很小可忽略不计 故气体流经一层 h 浮阀塔板的压降相当的液柱高度为 0 050 02250 0625 pcl hhh m 单板压降 p 0 0625 804 3 9 81493 1 pLm phg Pa 一般浮阀塔压降比筛板塔大 对常压塔和加压塔 每层浮阀塔板压降为 265 530Pa 19 故设计合理 3 7 2 淹塔淹塔 为防止淹塔现象的发生 要求控制降液管中液层高度 WTd hHH 计算公式 d H dLd hhhH p 1 与气体通过塔板压降相当的液柱高度 0 0625m p h 1 液体通过降液管的压头损失 不设进口堰则 d h 2 2 0 0 0063 0 1530 1530 0096 1 26 0 02 V L d W q h l h m 3 板上清液层高度 取 则 m05 0 L h p 0 06250 050 00960 122 dLd Hhhh m 取 5 0 m45 0 T H0 02m W h 则 0 5 0 450 02 0 24 TW Hh m 因为 故符合防止淹塔设计要求 0 12m 0 245m dTW HHh 3 7 3 雾沫夹带雾沫夹带 泛点率计算公式 1 F 0 0 1 100 36 1 bF LLV VmLm Vm VV AKC Zqq F 0 0 1 100 78 0 TF VmLm Vm VV AKC q F 板上液体流经长度 20 92 0 271 260 Ld ZDW m 板上液流面积 22 5452 0 2162 113 bTf AAA m 物系系数见附表 3 20 0 010 040 10 41 04 0102040100 0 05 0 1 0 15 板 间 距1 20m 0 910m 0 610m 0 300m 0 450m CF V kg m 3 表表 3 3 物系系数物系系数 系统 K 系统 K 无泡沫正常 系统 氧化物 中等发泡 1 0 0 90 0 85 多泡系统 严重起泡 形成稳定泡 沫 0 73 0 60 0 30 按无泡沫正常系统取 0 1 K 查泛点负荷图 见附图 8 其中横坐标 3 3 97kg m VVm 附图附图 9 9 查得 0 125 F C 按 式计算 即 21 00 1 00 00 1 36 100 3 80 1 8223 801 36 0 0063 1 260 804 32 92 10051 6 1 0 0 125 2 113 Vm V VV LL LmVm Fb qqZ F KC A 按 式计算 即 000 000 1 3 80 1 8223 80 804 32 92 10010050 6 0 780 78 1 0 0 125 2 545 Vm V V LmVm FT q F KC A 两式计算出的泛点率都在 80 以下 故可知雾沫夹带量能够满足 的设计要求 汽液 kg kg1 0 V e 3 8 塔板负荷性能图塔板负荷性能图 3 8 1 雾沫夹带线雾沫夹带线 按按 式计算 其中泛点率取 即 0 0 1 80 F 3 80 1 36 1 36 1 26 804 33 80 0 8 1 0 0 125 2 113 Vm V VV LL V VV L LmVm Fb qqZ qq KC A 整理得 1 24 63 V VV L qq 雾沫夹带线是一条直线 在操作范围内任取两个值 依 1 式求出相应的 LV q 值列于附表 4 中 VV q 附表附表 4 4 雾沫夹带线数据雾沫夹带线数据 s m 3 LV q 0 0010 002 s m 3 VV q 2 9762 951 22 3 8 2 液泛线液泛线 由确定液泛线 式中很小 dwWlcdLpWT hhhhhhhhhhH 0 h 忽略不计 则 2 0 32 0 2 0 153 0 1000 84 2 1 2 34 5 hl q l q Eh g u hH w LV w LV W Lm Vm WT 物系及塔板结构尺寸一定 则 及等均为 T H w h 0 h w l Vm Lm 0 定值 且 式中和亦为定值 Nd q u VV 2 0 0 4 0 dN 整理得 2 222 3 0 0112410 00350 2 V VV LV L qqq 在操作范围内任取若干个值 依 2 式求得相应的值列于附表 5 中 LV q VV q 附表附表 5 5 液泛线数据液泛线数据 s m 3 LV q 0 00120 0010 0150 02 s m 3 VV q 4 2611 004 2584 253 3 8 3 液相负荷上限线液相负荷上限线 液体的最大流量应保证在降液管中停留时间不低于 即s5 3 3600 3 5s fT V L A H q 求出上限液体流量值 常数 图上 液相负荷上限线为与气体流量 LV q VV q LV q 无关的竖直线 VV q 以作为液体在降液管中停留时间的下限 则s5 3 max 0 216 0 45 0 02 55 fT V L A H q 3 m s 23 3 8 4 漏液线漏液线 对于 F1 型重阀 依计算 则 5 00 Vm uF Vm u 5 0 又知 0 2 0 4 Nudq VV 以作为规定气体最小负荷的标准 则气相负荷下限值为 5 0 F 4 22 00 min 3 145 0 0392830 87 443 79 V V qd Nu 3 m s 3 8 5 液相负荷下限线液相负荷下限线 取堰上液层高度作为液相负荷下限条件 计算公式为m006 0 0 w h 006 0 3600 1000 2 84 32 min w LV l q E 取 则0 1 E 5 3 2 min 0 006 10001 26 0 0011 2 84 1 03600 V L q 3 m s 根据附表四 附表五及式可分别作出塔板负荷性能图上的 共五条线 5 3 见附图 10 附图附图 1010 24 由塔板负荷性能图可以看出 在任务规定的气液负荷下的操作点 A 设计点 处在适宜操作区域的适中位 置 塔板的气相负荷上限完全由雾沫夹带控制 按照固定的液气比 由附图 10 查出塔板的气相负荷上限 3 max 2 95m s V V q 气相负荷下限 则操作弹性为 3 min 0 87m s V V q max min 2 95 3 39 0 87 V V V V q q 3 9 计算结果汇总计算结果汇总 附表附表 6 6 浮阀塔板工艺设计结果浮阀塔板工艺设计结果 项目数值及说明备注 塔径m D1 8 板间距m T H 0 45 塔板型式单溢流弓形降液管整块式塔板 空塔气速 s m u0 74 堰长m w l 1 26 堰高m w h 0 03 板上液层高度m L h 0 05 降液管底隙高度m 0 h 0 02 浮阀数 个N283等边三角形叉排 阀孔气速 s m 0 u 5 58 阀孔动能因数 0 F 10 86 临界阀孔气速 s m 0c u 5 84 孔心距m t0 075同一横排的孔心距 排间距m t0 075 相邻两横排的中心线距离 25 单板压降Pa p p 496 5 液体在降液管内停留时间s 15 67 降液管内清夜层高度m d H 0 12 泛点率 52 1 气相负荷上限 s m 3 max VV q 2 95 雾沫夹带控制 气相负荷下限 s m 3 max VV q 0 87 漏液控制 操作弹性 3 39 26 第四章 精馏塔机械设计 4 1 选材选材 由于容器设计压力 P 0 15MPa 钢板使用温度 t 115 2 350 用途用于壳体 厚 度不大于 20mm 使用毒性程度满足 Q235 B 要求 以强度设计为主 依次选用 Q235 20R 16MnR 根据本次设计要求 由参考文献 8 优先选用 20R 作为筒体材料 其设计温度下的许用应力 123MPa 其试验温度下的 t 133MPa 裙座材料选择 Q235 B 其许用应力 105MPa 245 s MPa t 113MPa 235 s MPa 5 1 9 10EMPa 4 2 塔器壁厚及质量计算塔器壁厚及质量计算 4 2 1 塔器壁厚计算塔器壁厚计算 由参考文献 8 圆筒壁厚 2 ci t c PD P 封头壁厚 故计算如下 2 0 5 ci c PD P 已知直径 1800 设厚度为 6 16 材料许用压力 133MPa 则 i Dmmmm t 圆筒 1 19 2 ci t c PD P 0 15 1800 2 133 0 850 15 mm 由 GB150 查得 双面焊对接接头 局部无损检测 85 0 厚度附加量 C C C C 1 C 2 121 mm 2 mm 圆筒的设计厚度 C 1 19 2 3 19 d 2 mm 名义厚度 C 3 19 1 4 19 n d 1 mm 圆整得 6mm 取厚度 12mm 有效厚度 C C 12 2 1 9 e n 12 mm 27 满足厚度 6 16 所以符合要求 mm 由 GB150 查得 为标准封头取 1 K 封头 1 19 0 2 0 5 ci c PD K P 0 15 1800 1 2 133 0 850 5 0 15 mm C 1 19 2 3 19 hd h 2 mm C 3 19 1 4 19 hn hd 1 mm 圆整得 6 取 12 mmmm 有效厚度 满足厚度 6 16 符合要求 9 21 CC hnhe mmmm 由参考文献 8 知 1mm 2mm 故封头厚度为 12mm 圆筒厚度为 12mm 1 C 2 C 裙座的名义厚度 有效厚度 满足厚度 6 1612 ns mm 1239 esns Cmm 所以符合要求 mm 4 2 2 塔的质量计算塔的质量计算 1 塔高的估算 工艺计算中我们知道 实际板数 根据后续设计可确 15Z 13Z 提精 块 块28 P N 块 定以下尺寸 因为精馏段和提馏段塔板间距 则塔的有效高度 0 4 T Hm 0 282 0 4 10 4mZ 设釜液在釜内停留时间为 查表得排出釜液流量为 液相密度20min11947 46 kg h 为 则釜液的高度为 3 809 85 kg m 22 4 4 11947 46 3 809 85 3 14 1 8 1 93 3 h v v ZqDm 取 2mZ 将进料所在板间距增至 一般每 6 8 层塔板设一人孔 安装 检修用 需700mm 经常清洗时每隔 3 4 层块塔板处设一人孔 设人孔处的板间距等于或大于 600mm 人孔 所在板的板间距增至 根据此塔实际情况 人孔设 5 个 800mm 此外再考虑塔顶端及釜液上方的气液分离空间高度均取 裙座取 则各段1 5m4m 28 高度之和为 H 1 5 2825 0 455 0 8 1 52423 15Hm 1 圆筒的质量 塔体圆筒总高度 0 23 1540 450 218 5Hm 22 10 4 oi mDDH 钢 223 1 8241 818 5 7 85 109915 41 4 kg 2 封头质量 查得壁厚 12的椭圆形风头的质量为 357 1800 DNmmmmkg 2 357 2714mkg 3 裙座质量 因为圆筒形裙座制造方便 经济合理 一般常选用圆筒形裙座 1 N Dm 其参数为 按圆筒计算 12 330 N HD 1 824 1 8 omoi Dm Dm 22 3 4 omoiS mDDH 钢 223 1 8241 83 7 85 102143 87 4 kg 01123 9915 41 7142143 8712773 28mmmmkg 4 人孔 法兰 接管与附属物质量 1 0 250 25 12773 283193 32 ao mmkg 5 塔内构件质量 由表查得筛板塔盘单位质量为 2 65 kg m 22 02 651 828 654628 99 44 iP mD Nkg 6 保温层质量 取保温层厚度 100 保温材料 300kg 2 m 它将包住整个塔体 所以保温层厚度mm 为 100时重量为mm 为封头保温层质量 03 m 29 22 0302 2 4 oso mDDHh 2 2 1 8242 0 11 824 23 15 3004 4 4193 31kg 7 平台 附体质量 22 04 2 220 5 q 4 osoSpFF mDBDnqH 式中 2 2 1 8242 0 12 0 9 1 8242 0 1 0 5 5 15040 23 15 4 2294 26kg 为平台单位质量 为 为 23 15m 为笼式扶梯单位质量 p q 2 150 kg m F H 为扶梯高度 F q 为平台数量 40 kg mn 8 操作时塔内物料质量 22 05 V 44 iLPLioLfL mD h ND h 22 1 80 05 28 809 851 82 809 850 865 809 85 44 7703 44kg 封头容积 塔釜深度 3 0 865 f Vm 2 o hm 9 充水质量 2 0 2 4 wiWfW mD HV 2 1 818 5 1000 2 0 865 1000 4 48782 9kg 10 全塔操作质量 0 m 01 m 02 m 03 m 04 m 05 m a m 12773 28 4628 99 4193 31 2294 26 7703 44 3193 32 34786 6kg 塔器最大质量 max01020304oVa mmmmmmm 30 005w mmm 34786 67703 4448986 37 76069 53kg 塔器最小质量 min01020304 0 2 a mmmmmm 12773 280 2 4628 994193 312294 263193 22 23379 87kg 表表 7 7 各塔段质量各塔段质量 kg 塔 段 号 项目123456 kg 01 m 53614292679 82679 82679 82275 8 kg 02 m 1157 21157 21157 21157 2 kg 03 m 883 6883 6883 6883 6 kg 04 m 4080450 6450 6901 7331 3 kg 05 m 700 54840 57211132 9308 5 kg m 1342135 9670670670569 kg 0 m 7101146010681 76562 27425 25525 4 kg max m 71011624 519423 218558 219009 36129 9 kg min m 71010759 54915 44915 45366 54273 14 塔段长度 mm 100030005000500050004150 31 4 3 塔体强度与稳定性校核塔体强度与稳定性校核 4 3 1 塔的基本自振周期计算塔的基本自振周期计算 因为 所以不必考虑高振型影响 则塔的基本自振周期由下 23150 12 315 1800i H D 式计算 3 0 1 3 90 3310 ei m H TH ES D 3 53 34786 6 23150 90 33 2315010 1 9 109 1800 0 55s 塔的第二振型自振周期近视取 1 2 0 55 0 09 66 T Ts 塔的第三振型自振周期近视取 1 3 0 55 0 03 1818 T Ts 4 3 2 地震载荷计算地震载荷计算 1 地震影响系数 一阶振型地震影响系数 查表得 设防震烈度为 7 度 设计基本地震加速度为 0 1g 0 08 masx 表表 8 8 对应于设防烈度 对应于设防烈度值值 max 设防烈度789 设计基本地震加速度0 1g0 15g0 2g0 3g0 4g 地震影响系数最大值 max 0 080 120 160 240 32 查下表得 类场地土 第二组0 4 g Ts 表表 9 各类场地土的特征周期值各类场地土的特征周期值 Tg s 场地土类别设计地震 分组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 32 取一阶振型阻尼比 1 0 01 由公式得 1 1 0 05 0 90 973 0 55 r 为水平地震力曲线的下降段的衰减指数 r 由式得 11 0 02 0 05 80 025 为直线下降段斜率的调整系数 1 由式得 1 2 1 0 05 11 519 0 06 1 7 为水平地震力曲线的阻尼调整系数 2 2 地震载荷和地震弯矩 0 089 0 973 1max 0 4 1 519 0 08 0 55 r Tg T 2 高振型地震载荷和地震弯矩 将塔沿高度方形分成 6 段 每段连续分布的质量按质量静力等效原则分别集中于该 段的两端 端点处相邻短的质量予以叠加 取塔的危险截面为裙座基 0 0 截面 裙座人 孔处 1 1 截面 裙座与塔体焊缝处 2 2 截面 见图 4 2 全塔分段简图 各阶振型下 由 各集重质量却引起的水平地震力及危险截面处的地震弯矩计算列于表 10 1 51 5 1 1 3 1 n kii i kn ii i hmh mh 0 0 maxVVeq Fm g 式中 计算垂直地震力时 塔式容器的当量质量 取 eq m 0 75 eqo mm 垂直地震影响系数最大值 maxV maxmax 0 6