年产2.9万吨丙烯精馏浮阀塔结构设计的设计书.doc

年产2.9万吨丙烯精馏浮阀塔结构设计的设计方案第一部分 工艺计算 设计方案本设计任务为分离丙烯混合物，在常压操作的连续精馏塔内分离丙-丙烯混合液：已知塔底的生产能力为丙烯3.6万吨/年，进料组成为0.50（苯的质量分率），要求塔顶馏出液的组成为0.98，塔底釜液的组成为0.02。对于二元混合物分离采用连续精馏流程，设计中进料为冷夜进料，将原料液通过泵送入精馏塔内，塔顶上升蒸汽采用全冷凝器冷凝，冷凝液一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却器冷却送至储罐。该物系属易分离物系，最小回流比小，故操作回流比取最小回流比的1.2倍。塔釜采用间接加热，塔底产品冷却后送至储罐。1.1原始数据年产量：2.9万吨丙烯料液初温：2535料液浓度： 50%（丙质量分率）塔底产品浓度： 98%（丙烯质量分率）塔顶苯质量分率不低于 97% 每年实际生产天数：330天（一年中有一个月检修）精馏塔塔顶压强：4 kpa（表压）冷却水温度：30饱和水蒸汽压力：2.5kgf/cm2(表压)设备型式：浮阀塔厂址：沈阳地区（基本风压：q0=45/，地质：地震烈度7级，土质为类场地土，气温：-2040） 1.2选取塔基本参数 1.3确定最小回流比1.3.1 汽液平衡关系及平衡数据80.1859095100105110.62.542.512.462.412.37x1.0000.7800.5810.4120.2580.1300y1.0000.8970.7770.6330.4560.2620101.33116.9135.5155.7179.2204.2240.040.046.054.063.374.386.0101.33 表1-1 常压下苯甲苯的汽液平衡组成1.3.2 求回流比（1）M苯=78.11 kg/mol, M甲苯=92.13kg/mol苯摩尔分率：XF=(50/78.11)/(50/78.11+50/92.13)=0.5412XD=（97/78.11）/（97/78.11+3/92.13）=0.9744 XW=(2/78.11)/(2/78.11+98/92.13)=0.0235表1-1 常压下丙烯的汽液平衡组成进料、塔顶和塔底产品平均相对分子质量：MF=M丙*XF+M丙烯*（1-XF）=78.110.5412+92.13（1-0.5412）=84.42kg/kmolMD=M丙*XD+M丙烯*（1-XD）=78.110.9744+92.13*（1-0.9744）=78.35 kg/kmolMW=M丙*XW+M丙烯*（1-XW）=78.110.0235+92.13（1-0.0235）=91.67 kg/kmol(2)根据汽液平衡组成表（表1-1），利用内插法求塔顶温度tD,塔釜温度tW,进料温度tF。a. 塔顶温度 :+ 求得： =80.79b. 塔釜温度 : 求得: =109.63c. 进料液温度 : 求得： (3)回流比的确定a、已知泡点进料q = 1 且求得在此温度下，利用表1-1 内插法计算丙和丙烯的饱和蒸汽压, =157.80kPa =64.89kPab、求相对挥发度 =/=157.80 /64.89=2.43c、求 = = =1.16d、R = 1.2 Rmin = 1.2 1.16= 1.391.4物料衡算 已知：D= 根据物料恒算方程： F=D+W F=D+50.60 求得： F=111.07kmol/h D=60.47kmol/h根据基础数据求 V、V、 L、L由于q=1，所以精馏段和提馏段上升蒸汽的摩尔流量相等：V =V=（R+1）D=（1.39+1）60.47=144.52kmol/h表1-2 精馏塔物料恒算表物料流量（kmol / h）组 成进料 F111.07丙：0.5412 丙烯：0.4588塔顶产品 D60.47丙：0.9744 丙烯：0.0256塔釜残液 W50.60丙：0.0235 丙烯：0.765精馏段上生蒸汽量V144.52提馏段上生蒸汽量V144.52精馏段下降液体量L84.05提馏段下降液体量L195.121.5 热量衡算（1）热量恒算的物流示意图图1-1 热量横算物流示意图（2） 加热介质和冷却剂的选择a、加热介质的选择常用的加热剂有饱和水蒸气和烟道气，饱和水蒸气是一种应用最广泛的加热剂，由于饱和水蒸气冷凝时的热传递膜系数很高，可通过改变蒸汽压力，准确控制加热温度；而燃料燃烧所排放的烟道气温度可达到100-1000，适用于高温加热，缺点是烟道气比热膜系数很低，加热温度控制困难。本设计选用300KPa，113的饱和水蒸气做加热介质。水蒸气不易腐蚀加热管，且成本相对较低，塔结构也不复杂。b、冷却剂的选择常用的冷却剂是水和空气因地，应因地制宜加以选用，受当地的气温限制，冷却水一般为10 25，如需冷却到很低温度，则需采用低温介质，如冷却盐水，氟里昂等。本设计取沈阳夏季平均气温25 35。（3）理想气体定压比热容的计算 根据公式: Cp= 式中： Cp 理想气体定压比热容 kj /(kmol k) T 所取的温度 K表1-3 精馏塔物料恒算表温度苯150.56159.43154.65甲苯173.25183.62178.05温度下： = =151.14kj /(kmol*k) =183.05 kj /(kmol*k) = =165.39 kj /(kmol*k) (注：式中下标1 为苯，下标2 为苯)温度下：r = =30763.26kJ/kmol=394.40kJ/kgr = =35094.81kJ/kg=381.47kJ/kg平均值 =394.07kJ/kg塔顶 =78.36kg/kJ（4） 相关数据计算a、塔顶以0为基准，80.56时，塔顶上升气体的焓值为Q Q= = =62273561.1kJ/hb、回流液的焓 =84.05 =977458.6kJ/hc、馏出液的因为馏出液与回流口组成一样 所以 kj/(kmol*k) =738375.0kJ/hd、 冷凝器消耗 e、进料口 f、塔底残液焓 g. 再沸器（全塔范围列衡算式） 设再沸器损失能量 （5）热量衡算表表1-4 热量衡算表平均比热热量进料165.391736687冷凝器4511522塔顶馏出液151.14738375塔底釜残液183.651015428再沸器45286391.6 塔板数计算1.6.1 理论塔板数计算 用内插法求塔顶，塔底饱和蒸汽压。 塔顶温度下 101.50kPa 塔底条件下 98.73 kPa 全塔平均挥发度 =8.30查图 N=15.9 (含塔釜)进料的相对挥发度塔顶与进料相对挥发度 =3.86 N=8.65精馏段理论塔板9 块，理论总塔板15.9块1.6.2 实际塔板数计算 温度下，查表苯，甲苯的粘度分别是0.268 和 0.288 =0.276=0.54块精馏段实际塔板17 块，总塔板30 块 1.7 塔的气液负荷计算 1.7.1丙烯的密度和粘度 （1）丙烯的密度 查表表 1-5 丙烯的密度温度苯丙烯80.790.8100.80894.540.8000.798109.630.7860.784 表 1-6 苯、甲苯的液相粘度苯mpas甲苯mpas80.790.3040.31694.540.2660.288109.540.2300.2491.7.2相关的流量及物性参数(1)塔顶条件下的流量及物性参数气相平均相对分子量和液相平均分子量相同，即： =78.36kg/kmol气相密度：液相密度：液相粘度：塔顶出料口质量流量： （2）塔底条件下的流量及物性参数气相平均相对分子量和液相平均相对分子量：即：气相密度： 液相密度：液相粘度： s塔底残留液的质量流量： （3）进料条件下的流量及物性参数 气液平均平均分子量 液相密度 气相密度： 液相粘度：进料质量流量： 由于q=1，所以精馏段上升蒸汽量等于提馏段上升蒸汽量，所以（4）精馏段的流量及物性参数 气相流量： 液相流量： （5）提馏段的流量及物性常数： 气相流量： 液相流量：（6）数据结果表塔顶进料塔釜 78.3684.4291.67 2.8042.9063.033 809.94799.0798.04 0.3040.2390.24978.93184.72105.79表 1-7 塔顶、塔釜、进料液的数据结果表精馏段提馏段平均相对分子量 kg/kmol81.3988.05气相密度r V kg/ m2.8552.9695液相密度r L kg/ m804.47798.52液相粘度m L mpa.s0.2940.244气相质量流量 kg/h11762.4912724.27液相质量流量 kg/h6840.8317179.341.7.3 液相平均张力表1-8温度 80.7994.54109.63苯 g/cm321.1619.5817.74甲苯 g/ cm321.7020.0818.55 精馏段： 提馏段： 16 第二部分 精馏塔主要尺寸的设计计算2.1塔径设计计算2.1.1精馏段的气、夜相体积流率为 由， 式中取板间距HT =0.40m，板上液层高度h L=0.06m，则H T - h L =0.40-0.06=0.34m查史密斯关联图得 取安全系数 按标准塔径圆整 塔截面积为 实际空塔气速 2.1.2提留段的气液体积流率 由，式中 取板间距HT =0.40m，板上液层高度h L=0.06m，则HT - h L =0.40-0.06=0.34m查史密斯关联图得取安全系数 按标准塔径圆整 塔截面积为 实际空塔气速 2.2塔板主要尺寸计算2.2.1精馏段 （1）溢流装置计算因塔径D=1.4m，可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘，各项计算如下：堰长取流堰高度，选用平直堰，堰上液层高度近似取E=1，则 弓形降液管宽度和截面积f由，查图得，故 验算液体在降液管中停留时间 ，故降液管设计合理。降液管底隙高度，取，故底隙设计合理选用凹形受液盘。深度(2)浮阀孔计算及其排列去动能因子求孔速即=5.92m/s，每层塔板上的浮阀数，即N= 取 开孔区面积计算 开孔面积 其中故浮阀排列方式采用等腰三角形叉排。取同一横排孔中心距 ，则可估算排间距 考虑到他的直径较大，采用分块式塔板，而各分块板的支承与衔接也要占去一部分鼓泡区面积，因此排间距不宜采用80mm，而应小于此值，故取 =65mm按t=75mm， =65mm 以等腰三角形叉排方式 ，排的阀数156个。按N=156重新核算孔速及阀动能因数： 浮阀动能因数变化不大，开孔率=0.776/6.14=12.6%2.2.2提馏段（1）溢流装置计算因塔径D=1.4m，可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘，各项计算如下：堰长取流堰高度，选用平直堰，堰上液层高度近似取E=1，则 弓形降液管宽度和截面积f由，查图得，故 验算液体在降液管中停留时间 ，故降液管设计合理。降液管底隙高度，取，故底隙设计合理选用凹形受液盘。深度(2)浮阀孔计算及其排列去动能因子求孔速即=5.80m/s，每层塔板上的浮阀数，即N= 取 开孔区面积计算 开孔面积 其中故浮阀排列方式采用等腰三角形叉排。取同一横排孔中心距 ，则可估算排间距 考虑到他的直径较大，采用分块式塔板，而各分块板的支承与衔接也要占去一部分鼓泡区面积，因此排间距不宜采用80mm，而应小于此值，故取 =65mm按t=75mm， =65mm 以等腰三角形叉排方式 ，排的阀数156个。按N=156重新核算孔速及阀动能因数： 浮阀动能因数变化不大，开孔率=0.776/6.14=12.6% 2.3塔板的流体力学验算 2.3.1精馏段 （1） 气相通过浮阀塔板的压降=+干板阻力 故 ，故 板上充气液层阻力：本设备分离苯和甲苯的混合液。即液相为氢化物，可取充气系数 液体表面张力所造成的阻力：阻力很小 忽略不计因此，与气体流经一层浮阀塔板的压降所相当液柱高度为则单板压降 （2） 淹塔 为了防止淹塔现象发生，要求控制降液管中清液层高度 与空气通过塔板的压强降所相当的液柱高度=0.0629m液柱液体通过降液管的压头损失，因此不改进口堰板上液层高度 （3） 雾沫夹带泛点率 =及泛点率 = 泛点率=1.1444及泛点率=1.1444 2.3.2提馏段 1 气相通过浮阀塔板的压降=+干板阻力 故 板上充气液层阻力：本设备分离苯和甲苯的混合液。即液相为氢化物，可取充气系数 液体表面张力所造成的阻力：阻力很小 忽略不计因此，与气体流经一层浮阀塔板的压降所相当液柱高度为则单板压降（2） 淹塔 为了防止淹塔现象发生，要求控制降液管中清液层高度 与空气通过塔板的压强降所相当的液柱高度=0.0622m液柱液体通过降液管的压头损失，因此不改进口堰板上液层高度 （3） 雾沫夹带泛点率=及泛点率= 泛点率=1.1943及泛点率1.1943又要计算的泛点率都小于 故可满足2.4塔板负荷性能图 2.4.1精馏段1. 雾沫夹带线 泛点率= 按泛点率为计算如下： 整理得0.059 （1）由式（1）知 雾沫夹带为直线，则在操作范围内任取两个值。依式子（1）算出相应值列于表1中，据此可做出雾沫夹带线（1） 表 2-1 0.0020.010 2.1611.917由此做出雾沫夹带线（1）。2. 液泛线 联立前式得 = 由上式确定液泛线 ，忽略式中=5.34由物系一定，塔板结构尺寸一定，则而式中阀孔数N与孔径为定值，因此可将上式简化成与如下关系式： （2）在操作范围内任取若干个值，算出相应值列于表2中表 2-2 0.0010.0050.0090.013 2.57072.26022.00781.6797由此做出液泛线（2）。3. 液相负荷下限线以s。作为液体在降液体在降液管中停留时间的下限，s 求出上限液体流量值。在-图上液相负荷上限线为与气体流量无关的竖直线。（3）4. 漏液线对于 重型阀，依公式 所以 计算以 作为标准。则 据此作出与液体流量无关的水平漏液线（4）.5.液相负荷下限线取堰上高度 作为液相负荷下限线条件，又公式由（1），（2），（3），（4），（5）式做出塔板负荷性能图上的（1），（2），（3），（4）及（5）共五条线见附图1由附图1查得 操作弹性=根据以上方程，可做出浮阀塔的负荷性能图如下： 图2-12.4.2提馏段1. 雾沫夹带线 泛点率= 按泛点率为计算如下： 整理得0.0611 （1）由式（1）知 雾沫夹带为直线，则在操作范围内任取两个值。依式子（1）算出相应值列于本例表1中，据此可做出雾沫夹带线（1） 表 2-3 0.0020.010 2.1181.931由此做出雾沫夹带线（1）。2. 液泛线 联立前式得 = 由上式确定液泛线 ，忽略式中=5.34由物系一定，塔板结构尺寸一定，则而式中阀孔数N与孔径为定值，因此可将上式简化成与如下关系式： （2）在操作范围内任取若干个值，算出相应值列于表2中表 2-4 0.0010.0050.0090.013 2.43522.24092.07781.9156由此做出液泛线（2）。3. 液相负荷下限线以s。作为液体在降液体在降液管中停留时间的下限，取s 求出上限液体流量值。在-图上液相负荷上限线为与气体流量无关的竖直线。（3）4. 漏液线对于 重型阀，依公式 所以 计算 以作为标准。则 据此作出与液体流量无关的水平漏液线（4）.5.液相负荷下限线取堰上高度 作为液相负荷下限线条件，又公式由（1），（2），（3），（4），（5）式做出塔板负荷性能图上的（1），（2），（3），（4）及（5）共五条线见附图2由附图1查得 操作弹性=根据以上方程，可做出筛板塔的负荷性能图如下：图2-22.5冷凝器的选择沈阳最高月平均气温，冷却剂选用深井水，冷却水出口温度一般不超过40，负责易结垢，取。泡点回流温度， 1.计算冷却水流量 2.因为冷却器选择列管式逆流方式 操作弹性为 3. 冷却水用量冷却水温度3040 摄氏度2.6再沸器 选择150 摄氏度的饱和水蒸气加热，温度为150 摄氏度的饱和水蒸气冷凝潜热1. 间接加热蒸汽量2. 再沸器加热面积为再沸器液体入口温度为回流汽化上升蒸汽时温度为加热温度为加热蒸汽冷凝液体温度用潜热加热可节省蒸汽量从而减少热量损失，取，2.7 配管的选择 1. 塔顶蒸汽管 从塔顶到冷凝器的蒸汽导管，必须符合尺寸，以免产生过大压降，特别是在减压过程中，过大压降会影响塔的真空度。操作压力为常压，蒸汽流速2. 回流管冷凝器安装在塔顶时，回流液在管道中的流速一般不能过高，否则冷凝器高度也要提高，对于重力回流一般取 0.20.5m/s，取3. 进料管取4. 塔釜出料管 塔釜流出液体速度5. 釜液进再沸器管采用直管 6. 再沸器蒸汽入塔管 取2.8 塔体结构 1 塔顶空间 取2 塔底空间 取3 人孔 每7层塔板设置一人孔，（裙座和塔顶底空间各一人孔）取，4 封头高度取5 裙座高度取采用筒形裙座。则塔的整体高度 49 第三部分 强度校核3.1 圆筒和封头强度计算 塔壳材料 计算压力P=0.1mPa （1） 1.圆筒 mmPPDti48.01.085.0170214001.02=-=-=fsd 因钢板最小厚度为 4mm，加上厚度附加量，并圆整后取名义厚度，有效厚度 ()tccitDPsdds=+=05.52， 校核合格。2. 封头 mmPKPDti48.05.01.085.01702114001.05.02=-=-=fsd 因钢板最小厚度为4mm,加上厚度附加量，并圆整后取名以厚度，有效厚度()tccitDPsdds=+=05.52， 校核合格。 故塔壳和裙座厚度均为16mm。 3.2 质量载荷计算（1） 塔壳和裙座质量 （2） 人孔、法兰、接管等附件质量 （3） 内部构建质量 kgm27.300065304.14202=p（4） 保温材料质量（5） 平台和扶梯 （6）操作时塔内物料质量 （7）冲水质量（8）塔器的操作质量（9）塔器的最大质量（10）塔器的最小质量将塔沿高度分成5部分，每段高为4200mm，其质量列入下表表3-1 精馏塔物料恒算表 段号质量123452931.82931.82931.82931.82931.852.63736.81736.81736.81736.8143.30606.18606.18606.18606.18168.00552.33168.00552.33552.3338.88607.28607.28607.28607.28461.586462.116462.116462.116462.113234.615434.415050.075434.415434.413657.3111289.2310904.911289.2311289.233195.734827.124442.794827.124827.123.3 地震载荷及地震弯矩计算 1. 塔的自振周期 表3-2 精馏塔物料恒算表段号项目12345操作质量3234.615434.415050.075434.415434.41集中质量距地面高210063001050014700189000.0510.2460.5670.9401.3700.5,类远震,9.81,81.48708.641414.322523.183677.400.1495,18252.2,26768.6,650.093269.595066.917638.6110286.79 ，因，要考虑高震型影响：-I截面地震弯矩： -截面地震弯矩： 代数据得 3.4 风载荷和风弯矩计算将塔沿高度分成4 段，计算结果见下表：表3-3 精馏塔物料恒算表段号项目1234塔段长度，0551010151521，441.450.72.260.640.720.760.790.190.300.611.00,(B类)0.81.01.141.251.341.491.922.43,5000500050006000,400,600,2432,40395592822113687 带入数据得截面风弯矩带入数据得 截面风弯矩 带入数据得 3.5 最大弯矩 塔底部截面0-0处 所以（该塔由风弯矩控制） -截面 -截面3.6 圆筒应力校核 验算塔壳-截面处操作时和压力试验时的强度和稳定性。表3-4 精馏塔物料恒算表计算截面-1计算截面以上的塔操作质量 22002.42计算截面的横截面积 61544.03塔壳有效厚度 14.04计算截面的界面系数 5最大弯矩 6许用轴向应力172.87许用轴向拉应力 173.48操作压力引起的轴向拉应力 2.59重力引起的轴向应力 3.610弯矩引起的轴向应力 1311轴向压应力 12组合拉应力 13液柱静压力+ 0.314液压试验时，计算截面以上塔的质量 46252.3915许用轴向压应力 172.816许用周向应力 263.917许用轴向拉应力 316.718周向应力,13.6263.919压力引起的轴向应力 7.520重力引起的轴向应力 7.37321弯矩引起的轴向应力 3.922轴向压应力 23组合拉应力 3.7 裙座稳定计算a0 - 0截面（圆筒形裙座）： 取 取I - I截面（人孔所在截面）：人孔： ，则 38 基础环设计基础环外径基础环内径取，则取5263.5N则厚度取3.9 地脚螺栓， 取地脚螺栓螺纹小径取地脚螺栓为M24，16个3.10 筋板设计 一个地脚螺栓所承受的最大压力:结构中：， ，筋板的压应力：筋板细长比： 临界细长比：筋板的许用应力其中：3.11 盖板设计（有盖垫的环形盖板）机构中：，则验算通过3.12 裙座与塔壳的焊缝验算（对接焊缝）对焊缝的拉应力：其中， 验算通过第四部分 吊柱的强度计算4.1设计载荷载荷在吊钩位置垂直作用时，其设计载荷应考虑到起吊载荷、绳拉力和动载系数等，因此可知，起吊载荷4.2曲杆部分的校核吊住受载荷如图，AD段视为受弯矩及轴向力作用的曲杆，轴向压应力为，吊柱断面面积弯矩的最大值在A点，A点内侧受压，压应力为A点外侧受拉，拉应力为因为，将代入公式得：，其中，符合要求。4.3吊柱的校核吊柱的AB段可视为B端固定，A端只受偏心载荷的长柱，柱中应力最大应力出现在处，展开并舍高次项得 取，符合要求。参考文献1 北京化工研究