20万吨直馏柴油年氨精制装置设计设计说明书

1、参赛队伍：环卫工团队参赛题目：20万吨直馏柴油/年氨精制装置设计所属院校：广东石油化工学院参赛学生：林宝杰，张锦恒，李德伟，吴伟荣康佳良，陈清木，陈柱辉，杨春辉指导老师：陈兴来，李宗宝目 录第1章 原始材料11.1 气提塔进出物料情况11.2 气提塔热负荷21.3 操作压力21.3.1 塔顶操作压力21.3.2 塔底操作压力2第2章 气提塔设计计算32.1 试选传热系数初始值32.2 气提塔尺寸的确定32.2.1 平均温差32.2.2 估算传热面积32.2.3 气提塔降膜热管尺寸42.2.4 管数的确定42.2.5 塔径的计算5第3章 传质过程计算63.1 列管内气速63.1.1 气体流人点气

2、速63.1.2 气体流出点气速63.1.3 气速平均值63.2 流体周边流量63.2.1 液体流入点周边流量73.2.2 液体流出点周边流量73.2.3 液体周边流量平均值83.3 液膜厚度83.3.1 液体流入点液膜厚度83.3.2 液体平均液膜厚度93.4 液泛速度计算93.5 液体最小润湿率计算103.6 液膜停留时间和液膜平均速度11第4章 复核传热系数134.1 管外蒸气冷凝时的给热系数134.2 管内液体沿垂直壁面成膜下流时的给热系数144.3 总传热系数14第5章 传热面积15第6章 精度计算15第7章 零部件及稳定性167.1 塔壁厚的确定167.2 封头的选择167.3 塔高

3、的计算167.4 塔设备的稳定计算177.4.1 风载荷177.4.2 塔底部截面的最大弯矩177.5 裙座设计187.5.1 裙座尺寸187.5.2 基础环187.6 管板和折流板217.6.1 管板设计217.6.2 折流板设计217.7 拉杆和定距管227.8 膨胀节227.9 塔体法兰选择227.10 液体分配器227.11 除沫器227.12 液体分布器23第8章附表24表8.1 气提塔参数一览表24表8.2 各符号物理意义一览表26第1章 原始材料1.1 气提塔进出物料情况表1.1 气提塔进出料情况进料流量（kg/h）出料流量（kg/h）油相（40）27672油相（70）27643

4、.33其中：柴油27632.34其中：柴油27632.34nh328.67nh30 乙二醇10.78 乙二醇10.78 rcooh0.79 rcooh0.79置换气（35）60气提气（60）88.67其中：n260其中：n2 nh36028.67合计27732合计27732表1.2 物料参数一览表/18.053.23/69.751.272202.22.30276723.327643.333.0927657.662.26.3230.833.092.4234.71943806.72.147900.498798.351.2 气提塔热负荷 1.3 操作压力1.3.1 塔顶操作压力1.3.2 塔底操作压

5、力 第2章 气提塔设计计算2.1 试选传热系数初始值针对本设计中气提塔的进出物料情况和温度、压力等参数，根据经验确定气提塔传热系数的初始值：2.2 气提塔尺寸的确定2.2.1 平均温差管外以饱和蒸气加热，蒸气温度为。蒸气和混合溶剂的平均温差为：蒸气：溶剂： 蒸气和管内气体温差为：蒸气：气体： 总的平均温差应以蒸气和混合溶剂的平均温差为主，也要考虑蒸气和管内气体间的平均温差，由下式计算：表2.1 平均温差位置温差/63.871.864.62.2.2 估算传热面积2.2.3 气提塔降膜热管尺寸传热面积估算后，进而对气提塔降膜换热管尺寸的计算。降膜换热管管径不宜太小，以免管数太多，导致布膜复杂且不匀

6、，根据生产能力，选用材质为cr17mn14mo2n，型号为的管子。由于液膜的传热阻力集中在靠近管壁边界层中形成这种边界层“成膜”需要一段膜的流过长度，称为热力人口端长度。在热力入口端长度内(一般为)，膜较厚，流速低，给热系数小，因此，管长以以上为宜。只要液膜分布器结构能确保布膜均匀，降膜管的长径比可达200，故选管长：的一段结构，保证传质传热在良好情况下进行，并尽量减少混合溶剂在塔内的停留时间。2.2.4 管数的确定理论管数：选用正三角形排列，管心距为，查得中心管数为，总管数为169，去拉杆、排污管7根，故实有管数：图2.1 降膜换热管排列2.2.5 塔径的计算管子采用焊接，降膜管的管径、管长

7、及管数估算后，即可估算塔径：式中：降膜热管外径，。圆整得塔内径为，取管板径为。第3章 传质过程计算主要计算列管内气速是否达到液泛速度，液体润湿率是否低于最小润湿率。3.1 列管内气速3.1.1 气体流人点气速在气体流入点气体质量流量为，温度为，操作压力为，换算为体积流量为：气体流速：3.1.2 气体流出点气速在气体流出点气体流量为，温度为，操作压力，换算为体积流量为：气体流速：3.1.3 气速平均值表3.1 列管内气速位置气速/(m/s)0.0580.2250.1413.2 流体周边流量流体周边流量：雷诺准数：液体物性参数采用在液膜温度下之值。3.2.1 液体流入点周边流量液体流入点质量流量：

8、液体流入点周边流量：流入点混合柴油的粘度取柴油之值：液体流入点雷诺准数：3.2.2 液体流出点周边流量液体流出点质量流量：液体流出点周边流量：流出点混合柴油的粘度取柴油之值：液体流出点雷诺准数：3.2.3 液体周边流量平均值液体平均质量流量：液体周边流量平均值：混合柴油的平均粘度：流体平均雷诺准数：表3.2 流体周边流量和雷诺准数位置流体周边流量(kg/mh)2091.22089.12090.1位置雷诺准数1323270417763.3 液膜厚度3.3.1 液体流入点液膜厚度在液体流入点，采用下式计算：液体物性参数采用液体流人点液膜温度下之值，(前面已出现过的，不再列出下同)。混合柴油的密度：

9、气提气密度：液膜与水平面间的夹角：重力加速度：液体流入点液膜厚度：在有气体逆流扫过时，液膜厚度增大，取，则液体流入点实际液膜厚度：3.3.2 液体平均液膜厚度由于，采用下式计算：液体物性参数采用液体流入点和流出点物性参数之算术平均值。液体平均密度：气体平均密度：液体平均液膜厚度：同样，在有气体逆流扫过时，取，则液体平均实际液膜厚度：表3.3 液膜厚度位置液膜厚度/m7.810-48.610-46.910-47.610-43.4 液泛速度计算由于气体流出点，即液体流人点的气速为最大值，液泛速度计算应以此点为依据。液体开始溢出时的关联式为：液体各特性参数采用流人点液膜温度下之数值，气体各物性参数采

10、用流出点之值。混合柴油的表面张力，取柴油之值：气体粘度用平方根规律求得：则：因液体流人管子处的热力入口端长度内液膜较厚，计算液体重量流速时的液膜厚度采用正常成膜厚度的两倍，则：液体的重量流速：气体的重量流速：达到液泛所需要的速度：因，所以管内气速在允许范围之内。3.5 液体最小润湿率计算由于液体流出点，即气体流人点的液体润湿率为最小植，核算液体润湿率应以此点为依据，最小润湿率由下式求得：各物性参数采用液体流出点之值。柴油的表面张力：由于气液间传质和传热引起的表面张力变化：液体最小润湿率：液体在流出点的实际润湿率为：因，故液体润湿率在正常范围之内。3.6 液膜停留时间和液膜平均速度在液体周边流量

11、变化时，液膜在管内停留时间为：、采用液体流人点和流出点的算术平均值，周边流量、分别采用液体流入点和流出点之值，所以：液膜平均速度：第4章 复核传热系数4.1 管外蒸气冷凝时的给热系数管外为的饱和水蒸气，查得水蒸气焓变：所以饱和蒸气冷凝量：冷凝水周边流量：物性参数在水液膜温度下求取 ：水的粘度：所以壳内雷诺准数：由于，采用下式计算：同样，物性参数在液膜温度下求取：给热校正系数：水的导热系数：水的密度：所以：4.2 管内液体沿垂直壁面成膜下流时的给热系数 由于，给热系数关联式如下：液体各物性参数采用流人点和流出点液膜物性参数之算术平均值。柴油的比热：柴油的导热系数：所以：4.3 总传热系数管外蒸气

12、热阻，取液膜产生的气泡热阻，取不锈钢的导热系数，取所以，总传热系数：第5章 传热面积由于前面计算过，所以：增加10%的设计裕量后，传热面积核算值为：实际传热面积复核：162根不锈钢管长。由于，传热面积以内壁计。所以，实际传热面积为：第6章 精度计算由于：由精度计算结果可知，满足了设计要求，故气提塔塔内径为。第7章 零部件及稳定性7.1 塔壁厚的确定根据选材分析，本气提塔选用钢材来制作塔体和封头, 本气提塔的水蒸气压力为，温度为，设计压力为。塔壁厚根据下式计算：式中：焊缝系数（双面对接焊，100%无损探伤），取；钢板负偏差，取；腐蚀裕量，取；许用应力，取。于是：圆整后得：。7.2 封头的选择由于

13、，选择椭圆型封头,封头高度为，直边高度，取壁厚。7.3 塔高的计算塔的底部空间高度是指塔底封头直边到下塔盘的高度为，因为塔底空间具有中间储槽作用，停留时间一般35分钟，这里取3分钟，所以，塔釜体积为：所以：塔的顶部空间高度是指上塔盘到塔顶封头直边的高度为，为了减少塔顶出口气体中夹带的液体量，顶部空间一般去，故这里取塔顶高度：裙座高度：所以，塔总体高度为：7.4 塔设备的稳定计算7.4.1 风载荷风载荷是安装在室外的塔设备的基本载荷之一，塔除了使塔体产生应力而外，还会使塔体产生方向与风向相同的顺风向振动和垂直于风向的横风向振动，振动的结果使塔设备产生挠度，过大的应力会造成塔体的强度和稳定失效，过

14、大的挠度不仅会使塔的分离效果降低，也会使塔的偏心矩增加。若产生共振，还可能导致塔体的破坏。因此，不可忽视风载荷的作用。由当地最大风力12级，查得风速，风压，塔高为。风载荷为：式中：体型系数，表示稳定风压在设备上的分布情况，它与设备的形状有关。在塔设备计算中，通常取0.7；塔器各计算段的风振系数，与风压脉动和塔体特征有关，通常当塔高时，取；风压高度变化系数，查得。所以：7.4.2 塔底部截面的最大弯矩（1）风弯矩 ：（2）偏心弯矩：塔设备在使用中，有时要承受偏心载荷，故应考虑偏心载荷在塔设备上引起的偏心弯矩。在本设计中认为偏心弯矩很小，所以忽略不计。由于：取其中较大值，所以：7.5 裙座设计7.

15、5.1 裙座尺寸裙座高度：裙座厚度：裙座直径：。裙座人孔：7.5.2 基础环基础环压在混凝土基础之上，其结构尺寸的确定应考虑到地脚螺栓的位置及基础混凝土的抗压强度。混凝土基础上的最大压应力考虑正常操作与水压试验两种状态，取其较大者。（1）基础环的内、外径使用下列公式选取：故这里选取：所以基础环的实际受力面积为：（2）基础环的厚度计算：本基础环采用有筋板设计，故：式中：裙座外观至基础环缘间距离，；基础环材料的许用应力，对于钢材；混凝土基础上的最大压应力，。由下式计算：，取其中较大值。其中为基础环截面系数：由已知得：所以：圆整得：。（3）裙座应力校正：参照塔体的厚度，初定裙座的有效厚度，所选的基底

16、截面按下述公式计算。基底截面的组合应力应满足以下要求：式中：仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入此项；压力容器壁最大应力，取；锥半顶角，这里；裙座圆筒底部截面积，；裙座圆筒截面系数，；荷载组合系数，取；有前面结果可知：所以：等式成立，故设计裙座厚度满足应力要求。（4）地脚螺栓的确定：塔设备必须用地脚螺栓牢牢地固定在基础上，以防在风、地震等载荷的作用下使其翻到。塔设备的基础环在轴向载荷和组合弯矩的作用下，在迎风侧的地脚螺栓中可能出现拉应力，背风出现压应力，拉应力通过地脚螺栓传递给基础。因此，地脚螺栓必须有足够的强度。地脚落地受的最大拉应力：所以：由于时，塔设备必须设置地脚螺栓。地脚螺栓的螺纹小径

17、可按下式计算：式中：地脚螺栓螺纹小径，；地脚螺栓腐蚀裕量，取；地脚螺栓个数，取；地脚螺栓材料的许用应力，。圆整后地脚螺栓的公称直径不得小于m24。地脚螺栓材料选用。所以：圆整后地脚螺栓的公称直径为m36。7.6 管板和折流板7.6.1 管板设计管板与换热管采用胀焊连接，由于本设备用于一般场合，管板的最小厚度，应符合如下要求：即：由于管板和法兰连接在一起，为了使管板达到法兰的强度，所选设计的管板厚度尽可能接近法兰厚度，故管板厚度取为。7.6.2 折流板设计折流板采用弓形折流板，为了使流体通过缺口时与横过管数时的流速相近，缺口大小用切去的弓弦高占圆筒内直径的百分比来确定，缺口弦高值宜取倍的圆筒内直

18、径，所以可取弦高。折流板的间隔，在允许的压力损失范围内希望尽可能小。一般推荐折流板的间隔最小值为壳内径的1/5或者不小于最大值决定于支持管所必要的最大间隔。本气提塔设计的折流板间距为，所以折流板数为：由于气提塔，查得折流板的厚度。7.7 拉杆和定距管为了折流挡板和管板能够牢固地保持在一定位置上，通常采用拉杆和定距管使其固定。拉杆的直径由表查得，当换热管外径时，拉杆的数量由表查得，当且时，可取6根。由折流挡板间距和拉杆的直径选择m253，长度l=140mm。7.8 膨胀节由于换热管与管板焊接它们彼此约束，限制了管束的自由膨胀。其结果将在管壁的总截面和壳壁截面上产生应力。此应力为热应力，是由管壁与

19、壳壁的温度不同而引起的，管壁与壳壁温度差越大，应力也越大，有可能造成管子与管板连接接头泄漏，甚至造成管子从管板上拉脱，破坏整个列管式气提塔。所以在气提塔上加设膨胀节，使气提塔满足热应力。本设计管壁与壳壁温差小于，壳程流体压力为，所承受的温度和压力都不高，故选择单波纹膨胀节，采用厚的不锈钢厚板制造的型单波纹膨胀节。7.9 塔体法兰选择塔体的公称直径，工作压力，选择乙型平焊法兰，公称压力为，材料为。7.10 液体分配器目前，用于降膜塔的液体分配器有旋液式、锯齿型、二次分配塑、导流管式、孔式、管内再分配型、加压喷雾型、填充物式等各种结构。经过试验和分析比较，我们最终选用了孔式液体分配器。此结构原为荷

20、兰斯太米卡饭(stamiearbon)公司用于co2气提塔的专利设计。液体是通过分配头上6个的小孔沿内管壁往下流，形成一层液膜，上升的气体与呈膜状下流的液体在管内逆流接触进行气提。7.11 除沫器根据容器结构、人孔开设位置来确定丝网除沫器的型式。当人孔开设在除沫器下方时，采用下装丝网除沫器。根据气提塔公称直径，选用的除沫器公称直径。根据除沫效率要求，来确定除沫器的网块厚度。因为除沫要求不高，所以可采用厚度为。过滤网型式为hp，材料为。所以所选用的除沫器标记为：hg/t 21618 丝网除沫器 x700-100 hp q235/q2357.12 液体分布器莲蓬头式是一种应用广泛的液体分布器，是开

21、有许多小孔的球面分布器。它悬挂于填料上方的正中，液体借助泵或高位槽产生的静压头自小孔喷出，喷洒半径的大小随液体压力的高度不同而不同。在压力稳定的场合下，可以达到较均匀的喷洒效果。小孔在球面上一般采用同心圆排列，为了使喷洒均匀，球面上各小孔的轴线汇交于一点。莲蓬头上的小孔易堵塞，雾沫夹带严重，由于须改变喷淋压头才能改变喷淋液量，为了便于检修莲蓬头，采用法兰连接。由于本设计的液体流速较小，液体产生泡沫也相对较小，使得气提塔内雾沫夹带小，因此液体分布器采用莲蓬头式分布器。液体分布器安装一般应高于填料层表面，以提供足够的空间让上升气流不受约束地穿过分布器。所以本设计液体分布器安装在离液体分配器上管口。

22、由于气提塔公称直径，所以喷淋角设计为，由液体进料流量和流速确定开孔直径，开孔数共5圈，总数121个。由此确定莲蓬式分布器半径。第8章附表表8.1 气提塔参数一览表降膜换热管管长：管心距：材料：cr17mn14mo2n管数：型号：塔体塔内径管板径塔壁厚材料钢材封头型号封头高度直边高度壁厚裙座高度厚度直径人孔基础环内径外径厚度地脚螺栓公称直径m36塔高底部空间高度顶部空间高度裙座高度塔体总高折流板弦高间距板数厚度拉杆直径数量6根定距管型号膨胀节型号单波纹膨胀节厚度材料法兰型号乙型平焊法兰：材料液体分配器型号孔式液体分配器分配头6个小孔除沫器标记hg/t 21618 丝网除沫器x700-100 hp

23、 q235/q235液体分布器型式莲蓬式分布器开孔直径开孔数5圈总数121个喷淋角半径表8.2 各符号物理意义一览表，热负荷，塔顶操作压力， ，塔底操作压力， ，传热系数初始值， ，蒸气和混合溶剂的平均温差， ，蒸气和管内气体温差， ，蒸气与气提塔平均温差， ，传热面积估算值， ，管长， ，降膜热管内经， ,降膜热管外径， ，理论管数，根，管数，根，中心管数，根，管心距， ，塔内径， ，管板径， ，气体流人点体积流量， ，气体流出点体积流量， ，气体流人点气体流速， ，气体流出点气体流速， ，气速平均值， ，液体流入点质量流量， ，液体流出点质量流量， ，液体平均质量流量， ，液体流入点周边流量， ，液体流出点周边流量， ，液体周边流量平均值， ，柴油的粘度， ，柴油的粘度， ，