毕业设计（论文）苯乙苯精馏塔的工艺和机械设计

1、新疆工程学院 毕业论文（设计）2012 届 题 目 苯-乙苯精馏塔的工艺和机械设计 专 业 煤炭深加工与利用 学生姓名 学 号 090420 指导教师 完成日期 2012-03-13 新疆工程学院教务处印制新 疆 工 程 学 院毕 业 论 文（设 计） 任 务 书班级 煤化093（2）班专业 煤炭深加工与利用姓名 杨玉坤日期 2012-02-20 1、论文（设计）题目： 苯-乙苯精馏塔的工艺和机械设计 2、论文（设计）要求：（1）学生应在教师指导下按时完成所规定的内容和工作量，最好是独立完成。（2）选题有一定的理论意义与实践价值，必须与所学专业相关。（3）主题明确，思路清晰。（4）文献工作扎实

2、，能够较为全面地反映论文研究领域内的成果及其最新进展。（5）格式规范，严格按系部制定的论文格式模板调整格式。（6）所有学生必须在5月15日之前交论文初稿。3、论文（设计）日期：任务下达日期 2012-02-20 完成日期 2012-03-13 4、指导教师签字： 新 疆 工 程 学 院毕 业 论 文（设 计）成 绩 评 定 报 告序号评分指标具 体 要 求分数范围得 分1学习态度努力学习，遵守纪律，作风严谨务实，按期完成规定的任务。010分2能力与质量调研论证能独立查阅文献资料及从事其它形式的调研，能较好地理解课题任务并提出实施方案，有分析整理各类信息并从中获取新知识的能力。015分综合能力论

3、文能运用所学知识和技能，有一定见解和实用价值。025分论文（设计）质量论证、分析逻辑清晰、正确合理，020分3工作量内容充实，工作饱满，符合规定字数要求。绘图(表)符合要求。0 15分4撰写质量结构严谨，文字通顺，用语符合技术规范，图表清楚，字迹工整，书写格式规范， 0 15分合计0100分评语：设计合理，论证充分，条理清晰，内容充实，符合撰写要求。（优）成 绩：98评阅人（签名）：马玉苗 日 期：201.13 毕业论文答辩及综合成绩答 辩 情 况自 述 情 况清 晰、完 整流 利简 练清 晰完 整完 整熟 悉内 容基 本完 整熟 悉内 容不 熟悉 内容提 出 问 题回 答 问 题正 确基本正

4、确有一般性错误有原则性错误没有回答答辩小组评语及建议成绩：答辩委员会综合成绩：答辩委员会主任签字： 年 月 日苯-乙苯精馏塔的工艺和机械设计学号 090420 姓名 杨玉坤(新疆工程学院, 乌鲁木齐 830091) 摘要：本次设计的目的是通过精馏操作来完成苯和乙苯混合溶液的分离，从而获得较高浓度的轻组分苯。精馏是利用混合液中各组分挥发度不同而达到分离要求的一种单元操作。本设计详细阐述了设计的各部分内容，计算贯穿在整个设计中。本设计包括蒸馏技术的概述、精馏塔工艺尺寸的计算、塔板校核、精馏塔结构的设计、筒体及各部件材料的选择、筒体各处开孔补强的设计、塔体机械强度的校核及精馏塔装配图的绘制等主要内容

5、。关键字：精馏塔，塔板校核，开孔补强，机械强度。目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc318488460 1.概论 PAGEREF _Toc318488460 h 1 HYPERLINK l _Toc318488461 1.1 蒸馏技术背景、基本概念和分类 PAGEREF _Toc318488461 h 1 HYPERLINK l _Toc318488462 蒸馏技术背景 PAGEREF _Toc318488462 h 1 HYPERLINK l _Toc318488463 蒸馏技术分类 PAGEREF _Toc318488463 h 2 HYPERLINK

6、l _Toc318488464 塔设备的作用和类型 PAGEREF _Toc318488464 h 2 HYPERLINK l _Toc318488465 塔设备的作用 PAGEREF _Toc318488465 h 2 HYPERLINK l _Toc318488466 塔设备的类型 PAGEREF _Toc318488466 h 2 HYPERLINK l _Toc318488467 蒸馏技术节能 PAGEREF _Toc318488467 h 3 HYPERLINK l _Toc318488468 现在蒸馏技术面临的机遇和挑战 PAGEREF _Toc318488468 h 3 HYPE

7、RLINK l _Toc318488469 本设计中的方案选择 PAGEREF _Toc318488469 h 4 HYPERLINK l _Toc318488470 2.精馏塔设计任务书 PAGEREF _Toc318488470 h 6 HYPERLINK l _Toc318488471 设计题目：苯乙苯精馏分离板式塔设计 PAGEREF _Toc318488471 h 6 HYPERLINK l _Toc318488472 设计任务及操作条件 PAGEREF _Toc318488472 h 6 HYPERLINK l _Toc318488473 设计内容 PAGEREF _Toc3184

8、88473 h 6 HYPERLINK l _Toc318488474 设计基础数据 PAGEREF _Toc318488474 h 7 HYPERLINK l _Toc318488475 3各部分结构尺寸的确定和设计计算 PAGEREF _Toc318488475 h 8 HYPERLINK l _Toc318488476 3.1. 物料衡算 PAGEREF _Toc318488476 h 8 HYPERLINK l _Toc318488477 塔径的确定 PAGEREF _Toc318488477 h 8 HYPERLINK l _Toc318488478 回流比的确定 PAGEREF _

9、Toc318488478 h 10 HYPERLINK l _Toc318488479 塔板数的确定及进料板的确定 PAGEREF _Toc318488479 h 11 HYPERLINK l _Toc318488480 精馏段的工艺条件的有关计算 PAGEREF _Toc318488480 h 12 HYPERLINK l _Toc318488481 3.5.1 精馏段塔高的计算 PAGEREF _Toc318488481 h 12 HYPERLINK l _Toc318488482 溢流装置的计算 PAGEREF _Toc318488482 h 13 HYPERLINK l _Toc318

10、488483 塔板布置 PAGEREF _Toc318488483 h 14 HYPERLINK l _Toc318488484 塔板校核 PAGEREF _Toc318488484 h 16 HYPERLINK l _Toc318488485 降液管液泛 PAGEREF _Toc318488485 h 16 HYPERLINK l _Toc318488486 降液管内停留时间 PAGEREF _Toc318488486 h 17 HYPERLINK l _Toc318488487 液沫夹带 PAGEREF _Toc318488487 h 17 HYPERLINK l _Toc31848848

11、8 漏液 PAGEREF _Toc318488488 h 18 HYPERLINK l _Toc318488489 负荷性能图 PAGEREF _Toc318488489 h 18 HYPERLINK l _Toc318488490 漏液线 PAGEREF _Toc318488490 h 18 HYPERLINK l _Toc318488491 液体流量下限线 PAGEREF _Toc318488491 h 19 HYPERLINK l _Toc318488492 液体流量上限线 PAGEREF _Toc318488492 h 19 HYPERLINK l _Toc318488493 过量液沫

12、夹带线 PAGEREF _Toc318488493 h 19 HYPERLINK l _Toc318488494 液泛线 PAGEREF _Toc318488494 h 20 HYPERLINK l _Toc318488495 塔板工作线 PAGEREF _Toc318488495 h 21 HYPERLINK l _Toc318488496 筛板塔工艺设计计算结果汇总 PAGEREF _Toc318488496 h 22 HYPERLINK l _Toc318488497 4.精馏塔各组件的设计 PAGEREF _Toc318488497 h 23 HYPERLINK l _Toc31848

13、8498 精馏塔塔体材料、壁厚和强度校核 PAGEREF _Toc318488498 h 23 HYPERLINK l _Toc318488499 精馏塔塔体材料的选择 PAGEREF _Toc318488499 h 23 HYPERLINK l _Toc318488500 封头的选型依据，材料及尺寸规格 PAGEREF _Toc318488500 h 23 HYPERLINK l _Toc318488501 封头的选型依据 PAGEREF _Toc318488501 h 23 HYPERLINK l _Toc318488502 封头材料的选择 PAGEREF _Toc318488502 h

14、23 HYPERLINK l _Toc318488503 封头的高 PAGEREF _Toc318488503 h 23 HYPERLINK l _Toc318488504 封头与塔身连接的法兰 PAGEREF _Toc318488504 h 24 HYPERLINK l _Toc318488505 精馏塔的塔板类型选择 PAGEREF _Toc318488505 h 24 HYPERLINK l _Toc318488506 塔盘类型选择 PAGEREF _Toc318488506 h 24 HYPERLINK l _Toc318488507 降液管的形式 PAGEREF _Toc318488

15、507 h 24 HYPERLINK l _Toc318488508 受液盘的设计 PAGEREF _Toc318488508 h 25 HYPERLINK l _Toc318488509 液封盘的设计 PAGEREF _Toc318488509 h 25 HYPERLINK l _Toc318488510 塔体人孔的设计 PAGEREF _Toc318488510 h 25 HYPERLINK l _Toc318488511 支座设计 PAGEREF _Toc318488511 h 25 HYPERLINK l _Toc318488512 除沫器的设计 PAGEREF _Toc3184885

16、12 h 25 HYPERLINK l _Toc318488513 塔体各接管设计 PAGEREF _Toc318488513 h 25 HYPERLINK l _Toc318488514 5壳体、封头的强度校核及开孔补强设计 PAGEREF _Toc318488514 h 28 HYPERLINK l _Toc318488515 壳体的强度校核 PAGEREF _Toc318488515 h 28 HYPERLINK l _Toc318488516 壳体壁厚的计算 PAGEREF _Toc318488516 h 28 HYPERLINK l _Toc318488517 强度校核 PAGERE

17、F _Toc318488517 h 28 HYPERLINK l _Toc318488518 封头的强度校核 PAGEREF _Toc318488518 h 29 HYPERLINK l _Toc318488519 封头的壁厚 PAGEREF _Toc318488519 h 29 HYPERLINK l _Toc318488520 强度校核 PAGEREF _Toc318488520 h 29 HYPERLINK l _Toc318488521 塔体各开孔补强设计 PAGEREF _Toc318488521 h 30 HYPERLINK l _Toc318488522 5.3.1 开孔补强设计

18、方法 PAGEREF _Toc318488522 h 30 HYPERLINK l _Toc318488523 开孔补强结构设计 PAGEREF _Toc318488523 h 30 HYPERLINK l _Toc318488524 接管处开孔补强的校核 PAGEREF _Toc318488524 h 30 HYPERLINK l _Toc318488525 人孔开孔补强的校核 PAGEREF _Toc318488525 h 31 HYPERLINK l _Toc318488526 6塔体机械强度计算 PAGEREF _Toc318488526 h 32 HYPERLINK l _Toc31

19、8488527 6.1 质量载荷的计算 PAGEREF _Toc318488527 h 32 HYPERLINK l _Toc318488528 塔的基本自震周期计算 PAGEREF _Toc318488528 h 33 HYPERLINK l _Toc318488529 地震载荷及地震弯矩计算 PAGEREF _Toc318488529 h 33 HYPERLINK l _Toc318488530 地震载荷的计算 PAGEREF _Toc318488530 h 33 HYPERLINK l _Toc318488531 地震弯矩的计算 PAGEREF _Toc318488531 h 36 HY

20、PERLINK l _Toc318488532 风载荷及风弯矩计算 PAGEREF _Toc318488532 h 36 HYPERLINK l _Toc318488533 风载荷的计算 PAGEREF _Toc318488533 h 36 HYPERLINK l _Toc318488534 风弯矩的计算 PAGEREF _Toc318488534 h 37 HYPERLINK l _Toc318488535 塔体圆筒稳定校核 PAGEREF _Toc318488535 h 38 HYPERLINK l _Toc318488536 塔体圆筒压应力校核 PAGEREF _Toc318488536

21、 h 38 HYPERLINK l _Toc318488537 水压试验时应力校核 PAGEREF _Toc318488537 h 39 HYPERLINK l _Toc318488538 6.试验压力引起的环向应力 PAGEREF _Toc318488538 h 39 HYPERLINK l _Toc318488539 试验压力引起的轴向应力 PAGEREF _Toc318488539 h 39 HYPERLINK l _Toc318488540 重力引起的轴向应力 PAGEREF _Toc318488540 h 40 HYPERLINK l _Toc318488541 重力引起的轴向应力

22、PAGEREF _Toc318488541 h 40 HYPERLINK l _Toc318488542 液压试验时最大组合压力的校核 PAGEREF _Toc318488542 h 40 HYPERLINK l _Toc318488543 裙座的机械强度校核 PAGEREF _Toc318488543 h 41 HYPERLINK l _Toc318488544 裙座基底面的强度校核 PAGEREF _Toc318488544 h 41 HYPERLINK l _Toc318488545 6.8.2 裙座壳检查孔截面的强度校核 PAGEREF _Toc318488545 h 42 HYPER

23、LINK l _Toc318488546 基础环设计 PAGEREF _Toc318488546 h 43 HYPERLINK l _Toc318488547 基础环尺寸的确定 PAGEREF _Toc318488547 h 43 HYPERLINK l _Toc318488548 基础环厚度的计算 PAGEREF _Toc318488548 h 43 HYPERLINK l _Toc318488549 地脚螺栓的设计 PAGEREF _Toc318488549 h 44 HYPERLINK l _Toc318488550 6.11. 裙座与塔壳对接焊缝验算 PAGEREF _Toc31848

24、8550 h 44 HYPERLINK l _Toc318488551 裙座与塔壳连接焊缝结构 PAGEREF _Toc318488551 h 44 HYPERLINK l _Toc318488552 裙座与塔体对接焊缝的验算 PAGEREF _Toc318488552 h 44 HYPERLINK l _Toc318488553 7精馏塔装配图 PAGEREF _Toc318488553 h 45 HYPERLINK l _Toc318488553 参考文献 PAGEREF _Toc318488553 h 47 HYPERLINK l _Toc318488553 致谢 PAGEREF _To

25、c318488553 h 481.1 蒸馏技术背景、基本概念和分类蒸馏技术背景蒸馏技术已经被广泛应用了200多年，早期使用蒸发和冷凝装于酒精提纯，1813年由法国的Cellier-Blumental 建立了第一个连续蒸馏竖踏，填料的使用早在1820年就开始了，一位名叫Clement 的技术师将其最早应用在酒精厂中，Perrier 于1822年在英格兰引进了早期的泡罩塔板，Coffer 于1830年发明了筛板塔。第一本介绍蒸馏技术的书由Ernest Sorel在1893年完成。蒸馏作为一单元操作已经使用了很长时间，且目前工厂的首选分离方法。其使用的条件为：(1) 组分之间挥发度差别较大；（2）

26、进料中不存在高沸点组分；（3） 化合物热力学性质稳定；（4） 混合物腐蚀性较小。蒸馏是关键共性技术。在我国，蒸馏是目前应用最广占总能消耗最大的化工分离过程。由于我国蒸馏技术能耗高，大型节能技术正面临挑战。近年来，随着相关学科的渗透、蒸馏学科本身的发展及经济全球化的冲击，我国蒸馏技术正向新一代转变，以迎接所面临的挑战。其特征为：（1） 蒸馏学科正由传统的依靠经验、半经验过渡到凭半理论以致理论；（2）蒸馏过程正由传统的单一分离过程过渡到耦合和复杂的优化分离过程，以提高分离效率和节能；（3） 由对环境造成严重污染向注重环保的一代转变；（4）由走加工的道路向技术集成创新性转变；（5） 通过我国自己的技

27、术进步解决装置大型化、长周期运行，通过创新解决蒸馏技术问题，以降低成本、提高国际竞争力。蒸馏技术基本概念蒸馏过程主要是利用混合物中各组挥发程度的不同而进行分离。易挥发组分在气相中的相对含量比液相中的高，难挥发组分在液相中的相对含量比气相中高，故借助于多次的部分气化部分冷凝，达到轻重组分分离的目的。蒸馏作为一种分离方法适用面广，既可以用于液体混合物分离、气体混合物分离，也可用于固体混合物的分离，蒸馏可以直接获得所要产品。因此一般蒸馏过程比较简单，不像吸收、萃取、吸附等分离方法，需要外加介质（如溶剂），并需要进一步将所提取物质与介质分离。蒸馏的特点：直接获取几乎纯态的产品，而吸收、萃取等操作的产品

28、为混合物：应用范围广，可分离液体混合物、气体混合物、固体混合物：能耗高，气化、冷凝需要消耗大量的能量，加压、减压将消耗额外的能量。蒸馏技术分类按蒸馏方式分为：（1）平衡蒸馏或简单蒸馏 平衡蒸馏即为一般闪蒸过程，混合液体加热后，使部分液体气化，达到初步分离的目的，这种过程称为单级平衡过程，多用于待分离混合物中各组分挥发较大而对分离要求不高的场合，是最简单的蒸馏;（2）精馏 又称分批蒸馏，用于待分离混合物中各组分挥发度相差不大且对分离要求较高的场所，应用最广泛；（3）特殊蒸馏 适合于待分离混合物中各组分得挥发度相差很小甚至形成共沸物，普通蒸馏无法达到分离要求的场合，主要有萃取精馏、恒沸精馏、盐熔精

29、馏、反应精馏及水蒸气精馏。按操作流程分为：（1）间歇蒸馏 又称批量蒸馏，用于批量生产某种产品，在一个操作流程过程中，他的操作参数不断改变，以达到取得所需馏分的目的，属于非稳态操作，主要适用于小规模及某些有特殊要求的场合；（2）连续蒸馏 属于稳态操作，是工业生产中最常见的蒸馏方式，在塔中某一板上连续进料，在塔顶（或塔釜）得到合格产品，适用于大规模生产的场合。 按操作压力分为：（1）加压蒸馏 适用于常压下为气态（如空气）或常压下沸点接近室温的混合物；（2）常压蒸馏 适用于常压下沸点在150C左右的混合物；（3）减压蒸馏（真空蒸馏） 适用于常压下沸点较高或热敏性物质，可降低降低其沸点。按待分离混合物

30、的组分数分为：（1）两组分精馏 被分离物系包含两种组元，该种物质分离计算简单，常以此精馏原理为计算基础，然后引申到多组分精馏计算中；（2）多组分精馏 被分离物系包含多组分混合物，是在工业上最为常见的精馏操作。塔设备的作用和类型塔设备的作用塔设备是化学工业、石油工业、石油化工等生产中最重要的设备之一。它可使气（汽）液或液液之间进行充分接触，达到相间传热与传质的目的。在塔设备中进行的单元操作有：精馏、吸收、解吸、气体的增湿及冷却等。塔设备的类型塔设备的分类方法很多，例如，按操作压力分为加压塔、常压塔和减压塔；按单元操作分为精馏塔、吸收塔、解吸塔、萃取塔等；按形成相间接触面的方式分为具有固定相界面的

31、塔和流动过程中形成相界面的塔；最常用的分类是按塔的内部结构分为板式塔、填料式塔两大类。在板式塔中，塔内装有一定量的塔盘，气体自塔底向上以鼓泡喷射的形式穿过塔盘上的液层，使两相密切接触，进行传质，两相的组分浓度沿塔高呈阶梯式变化。在填料塔中，塔内装填一定高度的填料，液体自塔顶沿填料表面向下流动，作为连续相的气体自塔底向上流动，与液体进行逆流传质，两相的组分浓度沿塔高呈连续变化。蒸馏技术节能蒸馏既包含使混合物汽化和冷凝的传热过程，又包含混合物分离的传质过程。在此过程中，热的有效能转化为化学有效能，过程的不可逆性越大，有效能损失越大。蒸馏过程的能耗巨大，据估计，化工过程中40%-70%的能耗用于分离

32、，而蒸馏能耗又占其中的95%。所以，蒸馏过程节能始终是研究的热点，一般讲，在考虑节能时，考虑范围越广、越全面，总的节能效果越好。因此宏观讲，节能应包括结构节能、管理节能和技术节能三个方面。此处主要讲技术节能，目前国内蒸馏技术节能的途径主要如下。（1）采用新技术，改进工艺过程 改进工艺过程是蒸馏装置节能的重要手段，包括改进工艺生产流程，采用节能新工艺、新技术等内容。（2）采用新型、高效、低耗设备降低能耗 包括对塔内进行改造，改善分馏效率，如应用新型塔板、新型流线型填料或其复合形式提高分离效率，降低能耗；使用新型换热器提高热回收率。如优化设计的折流杆换热器、不易结垢得流化床换热器以及焊接式等紧凑型

33、高效节能换热器等；应用新型节能燃烧器、磁化器等提高加热炉效率。（3）流程节能 多组分分离顺序的选择是分离过程中常遇到的问题。目前广泛采用的是具有一种进料和两个产品的分离塔。当用到这类塔系分离多组分混合物时，就涉及先分离哪一组后分离哪一组的问题，因而还要对分离塔的排列顺序做出抉择。此外，在简单分离塔的基础上采用多段进料、侧线采出侧线汽提和热耦合等方式所构成的复杂塔及其塔系也在多种化工工艺中采用。它在操作和控制上比较复杂，但在节能和热能综合利用上有明显的优势。（4）系统节能（“夹点技术”） 系统节能是相对于局部节能而言的，是指从整个系统全局考虑能量的装换、回收、利用等。系统节能的理论和方法是在过程

34、系统和热力学分析两大理论的发展及其相互综合与渗透的基础上产生的，其研究始于20世纪70年代中期，80年代在理论上逐渐成熟，方法上逐渐完善，并在工业实践中取得了巨大的经济效益。现在蒸馏技术面临的机遇和挑战随着经济全球化和工业的迅猛发展，各相关学科的相互渗透以及蒸馏学科本身的发展，蒸馏技术向新一代转变。蒸馏装置大型化、过程强化和节能技术，以及开发新蒸馏过程等成为研究热点。世界各国对于新一代蒸馏过程具有新思想与创见。如精馏过程的分子模拟，精馏过程的分岔现象等均属于新发展的前沿问题。各国仍十分重视蒸馏技术在工业上的应用方面，尤其是关注于各种新发展的精馏节能技术、新型塔板、新型填料（特别是新型规整填料）

35、、新操作方法等。与国外相比，我国在精馏理论若干方面有先进之处，在改造工业生产的精馏塔方面亦有独到之处并取得了显著成效，但是仍然存在不少问题。至今关于气液两相界面相变传质和传热及气泡群传质动力学规律仍处于宏观和热力平衡水平上的研究，；理论预测传递过程尚处于半经验阶段，从而导致工程设计安全系数过大，造成材料和能源的很大浪费。在实际生产中，蒸馏大型化带来的流体力学问题（均匀分布、放大效应等）；微型化所需的过程强化技术；塔内构件（填料、塔板、分布器、大型支撑结构等）的开发及大型化应用时热变形等问题，虽然在蒸馏技术不断发展和应用中已经得到部分解决，但这些实际问题仍然给蒸馏技术的应用带来麻烦和挑战，是需要

36、继续研究和设法解决的。综上，根据蒸馏学科的特点和研究现状，深入蒸馏研究过程必须突破传统研究方法，从研究方面、方式上开辟新思路，探索新理论，吸收其他学科的最新研究理论，对分离设备进行强化，开发新型、节能、高效的复合蒸馏过程和设备，是今后研究需要解决的关键问题。本设计中的方案选择由于本设计任务中混合物的分离要求较高，故采取精馏操作。一般情况下，板式塔较填料塔有以下优点：效率高、处理量大、质量小、气液处理量较大等，又筛板塔操作时液体横过塔板，可以使气液组分充分接触，提高分离效率，故本设计中选取筛板式精馏塔。工业中常用的精馏操作流程图如下图所示： 图1-1 工业上常用的精馏装置1原料液储槽；2加料泵；

37、3原料预热器；4精馏塔；5冷凝器；6冷凝液储槽；7冷却器；8观测罩；9馏出液储槽；10残液储槽；11再沸器2.精馏塔设计任务书设计题目：苯乙苯精馏塔的工艺和机械设计设计一座苯乙苯连续精馏塔，要求生产能力为5000kg/h，塔顶馏出液中含苯不低于98%，原料液中苯含量为45%（本设计中百分数均为摩尔分数）。设计任务及操作条件1、设计任务： 生产能力（苯） 5000kg/h塔顶馏出液含苯 塔底釜残液含苯 进料组成 45%2、操作条件操作压力 常压（表压）进料热状态 饱和液体进料3、塔板类型 筛板 4、设计地点 乌鲁木齐设计内容1、精馏塔的物料衡算；2、塔板数的确定；3、精馏塔的工艺条件及有关物性数

38、据的计算；4、精馏塔的塔体工艺尺寸计算；5、塔板主要工艺尺寸的计算；6、塔板的流体力学验算；7、塔板负荷性能图；8、精馏塔接管尺寸计算；9、精馏塔各组件结构的设计及材料的选择10、塔机械强度校核；11、精馏塔装配图；设计基础数据表21 苯和乙苯在不同温度下的物性数据项目温度 饱和蒸汽压粘度表面张力苯乙苯苯乙苯苯乙苯831002185108881209012525209515532100170105200462011021817.41152451912013538010017由表中各温度下饱和蒸汽压可计算出气液组分摩尔分数之间的关表所示:t8385889095100105110115120 x0

39、y1.00则可绘出t-x-y关系图及气液相平衡图y-x分别如下：表22 不同温度下气液组分摩尔分数之间的关系图21 双组分溶液的温度组成图3各部分结构尺寸的确定和设计计算3.1. 物料衡算苯的摩尔质量：MA=78kg/kmol乙苯的摩尔质量：MB=106kg/kmol原料处理量：塔顶流出量： 塔釜残液量： 精馏段内每块塔板上升的气体量：塔径的确定塔顶物料平均千摩尔质量：塔顶气相平均密度：查手册得，当t=时，密度：，； 表面张力：，平均表面张力：塔顶液相平均密度： 精馏段每块塔板上升气体与下降液体积流量为: 取板间距:，板上清夜层高度:则 气液动能参数:经查史密斯关联图得图31 史密斯关联图 因

40、表面张力的差异，气体负荷因子校正为: 则最大允许速率:取空塔速率为最大允许速率的倍，即故塔径根据标准塔径圆整得D=1m由塔顶液相组成运用内插法得 经查手册得，则塔板数的确定及进料板的确定（1）塔板数的确定由芬斯克方程可求最少理论塔板数 即再经查吉利兰关联图可得理论塔板数，其中，横坐标：则 ；即定性温度，差得该温度下苯和乙苯的粘为：,进料液的平均粘度为：故 经查精馏塔全塔效率关联图得全塔效率为：实际塔板数为：（2）进料板的确定由上知=0.98 相平衡线方程：精馏段操作线方程：提馏段操作线方程：-0.03 由逐板计算法得知：第一块塔板上升的蒸汽组成：第一块塔板下降的液体组成：第二块塔板上升的蒸汽组

41、成：第二块塔板下降的液体组成：依上述方法反复计算，当时，为第五块塔板，故第五块塔板为进料板位置。精馏段的工艺条件的有关计算 精馏段塔高的计算塔高： 式中 Z塔的有效高度； ； 。 溢流装置的计算因塔径D=1m,可选用单溢流堰弓形降液管，采用凹形受液盘，各项计算如下：1.堰长取堰长为：2.溢流堰的高度 则 选取平直堰，堰上液层高度，由下式计算 由，经查液流收缩系数图图32 液流收缩系数图可近似取E=1则 对常压塔，取上层清液层高度则 3.降液管底隙高度本设计取，则，塔板布置1.塔板的分块因D=1000mm，故塔板采用整块式2.边缘区宽度确定开孔区面积计算取无效区宽度，安定区宽度 弓形降液管宽度的

42、计算则 可查手册得则 3.鼓泡区面积的计算由计算鼓泡区面积，其中： 所以 4.筛孔计算及其排列本设计取筛孔直径，筛孔按正三角形排列，取孔中心距t为： mm筛孔数目为n开孔率为： 筛孔总面积塔横截面积的计算：降液管横截面积的计算：由，可查图得图33 弓形降液管的宽度与面积降液管横截面积： 降液管液泛取板厚，由式，可查手册得干板孔流系数通过筛孔的气速为：由式K可求出干板压降即 按面积计算的气体速率故 气相动能因子查手册可得充气系数为：进而可求出气体通过塔板的压降为：液体通过降液管的压降为：降液管内清夜层高度为：又，即满足，故降液管内不会发生液泛。3.6.2降液管内停留时间降液管内停留由下式计算 s

43、5s可见停留时间足够长，不会发生泡沫夹带现象。 3.6.3液沫夹带塔板上液沫夹带量可由下式计算 其中泡沫层高度为以有效分离区面积为基准的气体速率为：则 (1.52)故不会发生严重漏液现象。由塔板校核结果可见，塔板结构参数选择基本合理，所设计的各项尺寸可用。3.7负荷性能图漏液线第一点取设计点的液体流量,故,于是相应漏液点的气体体积流量为.第二点去液体流量为，则 故 由点（2.55,598）和（10,699.60）可作出漏液线，如图中1。液体流量下限线令 则 在负荷性能图上处作垂线即可得流量下限线，如图中2。液体流量上限线取降液管内液体停留时间为3s则 在负荷性能图上处作垂线即可得液体流量上限线

44、，如图中3。过量液沫夹带线第一点取设计点令 解得 则 第二点取液体流量为 ，则 于是 则根据点（2.55,4114）和（10,3677）两点在负荷性能图上可作出液沫夹带线，如图中4。液泛线取第一点为设计点，已求得由 可得 则 ，又解得 则 第二点取液体流量为 ，则，又由 解得 由（2.55,3357）和（10,3275）两点在负荷性能上可作出液泛线，如图中5。塔板工作线在负荷性能图上作出斜率为的直线OAB,即为塔板工作线，该线与流体力学上下限线相交于A、B两点，读出A、B两点的纵坐标值为 图34 精馏塔负荷性能图表31 工艺设计计算结果序号项目符号单位计算数据(精馏段/提馏段）1平均温度tm1

45、082平均压力PkPa3气相流量Vsm3 /s4液相流量Lsm3 /h5实际塔板数Nt176有效高度Zm7塔径Dm8板间距HTm9溢流形式（降液管）单溢流弓形10堰长lwm11堰高hwm12板上液层高度hlm13堰上液层高度howm14底隙高度hom15安定区高度Wdm16边缘区高度Wcm17开孔区面积Aom218筛孔直径dom19筛孔数目N135120孔中心距tm21开孔率22空塔气速Um3 /s23筛孔气速Uom3 /s24稳定系数K25停留时间S26负荷上限m3 /s27负荷下限m3 /s28液沫夹带evKg液/kg气29气相负荷上限Vs(max)m3 /s337030气相负荷下限Vs(

46、min)m3 /s128031操作弹性j4.1精馏塔塔体材料、壁厚和强度校核精馏塔塔体材料的选择 因为本设计的操作压力是常压（即），工作温度为83，并且所要分离的物质是苯和乙苯，对材料的腐蚀性不大，考虑使用年限及强度要求在满足条件的材料中选择 。4.2封头的选型依据，材料及尺寸规格封头的选型依据封头的选型：标准的椭圆封头选型依据：从工艺操作考虑，对封头形状无特殊要求。球冠形封头、平板封头都存在较大的边缘应力，且采用平板封头厚度较大，故不宜采用。理论上应对各种凸形封头进行计算、比较后，再确定封头形状。但由定性分析可知：半球形封头受力最好，壁厚最薄，但深度大，制造较难，中、低压小设备不宜采用；碟形

47、封头的深度可通过过渡半径r加以调节，但由于碟形封头母线曲率不连续，存在局部应力，故受力不如椭圆形封头；标准椭圆形封头制造比较容易，受力状况比碟形封头好，故可采用标准椭圆形封头。封头材料的选择 封头材料：封头的高因为长轴：短轴=2 即：所以 其中精馏塔的内径封头的高直边高度为：（查JB/T4337-95可知）封头与塔身连接的法兰根据塔的工艺条、温度、压力、介质及塔径，确定采用甲型平焊法兰。板材为，按公称压力为来确定其尺寸。由于操作压力不高（常压），可采用平面型密封面（见于化工设备机械基础表14-1），垫片材料选用石棉橡胶板，经查资料（化工设备机械基础表14-3）得垫片宽度为20mm。甲型平焊法兰

48、的各尺寸经查资料（化工设备机械基础附表10-1）可得，绘于下图中，连接螺栓为M20，共36个，螺母材料为 。精馏塔的塔板类型选择塔板类型：溢流式筛板塔依据：筛板塔操作时液体横过塔板，可以使气液组分充分接触，提高分离效率。塔盘类型选择采用分块式塔盘依据：塔盘板的类型与塔径有关：直径为300900mm的板式塔采用整块式塔盘塔体采用分段结构，从塔段的两段将塔盘安装在塔段内，塔体上无需开人孔；当直径大于900mm时，应采用分块式塔盘，塔体上开设人孔，塔盘的拆装均在塔内进行，塔体一般不分段，为整体焊接结构。本设计中塔内径 ，故采用分块式塔盘。降液管的形式采用弓形降液管依据：因为弓形降液管具有较大的降液面

49、积 ，气液分离效果好，降液能力大。受液盘的设计采用凹形受液盘依据：因为它可保证液体采出侧线满液，即使在高蒸汽流速和低液体流量下仍能保证液封，对流出降液管的液体有缓冲作用，减少对塔盘入口区的冲击力。液封盘的设计在塔最低一层塔盘的降液管末端应摄液封盘，以保证降液管出口处的液封，液封盘上开有泪孔，供停车时排尽液体。塔体人孔的设计 人孔主要由筒节、法兰、盖板和手柄组成。根据精馏塔是在常温常压的条件下工作，人孔标准应按公称压力为常压的等级选取。从人孔类型系列标准可知，该人孔标记为：HG21515-95 人孔FS（）450-常压 公称直径DN=450mm人孔数：每隔5层塔板开一人孔，则人孔数：支座设计 选

50、型：圆筒型裙座依据：圆筒形裙座制作方便，经济上合理，应用广泛。材料：除沫器的设计 采用丝网除沫器依据：丝网除沫器具有比表面积大，重量轻，空隙率大以及使用方便等优点。特别是它具有除沫效率高，压力降小的特点，因而是应用最广泛的除沫装置。合理的气速食除沫器取的较高的除沫效率的重要因素。实际使用中常用的设计气速取13m/s。丝网层的厚度按工艺条件由试验确定。当金属丝直径为0.076，网层重度为4805300，在上述适宜气速下，丝网层的畜液厚度为2550mm，此时取丝网厚度为100150mm，可获得较好的沫效果。塔体各接管设计表 41 接管长度h（mm）公称直径DN不保温设备接管长保温设备接管长使用公称

51、压力（MPa）1580130420501001507035015020070500（见化工设备机械基础表14-21）(a) 进料管由工艺计算部分知在泡点温度时，液相平均密度液相平均千摩尔质量： 则进料体积流量： 取适宜的输送速度，故管直径 ： 经圆整选取碳钢管，规格： ,材料 ，实际管内流速： 设保温层，所以查表知接管长度：该管配用的法兰型式为： HG 20592 法兰 PL320.25 RF 16Mn。(b) 釜残液出料管釜底液相平均密度：釜底液相平均千摩尔质量：釜残液的体积流量： 取适宜的输送速度：则管径： 经圆整选取低合金钢管，规格：，材料 ，实际管内流速： 不设保温层，所以查表知接管长

52、度：该管配用的法兰型式为： HG 20592 法兰 PL320.25 RF 16Mn。(c) 回流液管回流液体积流量： 利用液体的重力进行回流，取适宜的回流速度那么经圆整选取低合金钢管（GB8163-87），规格：，材料 ，则实际管内流速： 不设保温层，所以查表知接管长度：。该管配用的法兰型式为： HG 20592 法兰 PL500.25 RF 16Mn。(d)塔顶上升蒸汽管由工艺计算部分知塔顶物料平均千摩尔质量 塔顶气相平均密度 精馏段内每块塔板上升的气体量：塔顶上升蒸汽的体积流量： 取适宜的速度 则管径 经圆整选取低合金管，规格： ，材料 ，实际管内流速： 不设保温层，所以查表知接管长度：

53、。该管配用的法兰型式为： HG 20592 法兰 PL1500.25 RF 16Mn。5壳体、封头的强度校核及开孔补强设计壳体壁厚的计算经查手册得 当厚度在616mm的范围内时，操作压力，则设计压力为：， 选取双面焊无损检测的比例为全部，所以由工艺计算部分知在泡点温度时，液相平均密度，塔高则液注产生的静压力为 ：由于 ，远大于5%，故液注产生的静压力不能忽略，则计算压力 计算壁厚： ， 塔内径，取腐蚀裕量=4，所以经查手册可得厚度附加量 ，则名义厚度 圆整后取（因为选用 材料的设备最小的壁厚为6mm）。强度校核(1)校核水压试验强度因为得屈服极限，所以 试验压力 有效厚度 则塔壁在试验压力下的

54、计算应力：，故水压试验满足要求。封头的壁厚(1)计算壁厚：对于标准椭圆封头，K=1取封头是由整块钢板冲压而成，则，所以 塔内径 ，取腐蚀裕量 =4，所以经查手册可得厚度附加量，则名义厚度 圆整后取（因为选用材料的设备最小的壁厚为6mm）。强度校核校核筒体与封头水压试验强度，根据式校核。式中 ，则 满足条件。又 故封头设计合理。 开孔补强设计方法等面积补强法(1)适用的开孔范围圆筒当内径时，开孔最大直径且。凸形封头的开孔最大直径，本设计采用的是标准椭圆形封头，则开孔直径为 (2)内压容器开孔所需补强的面积1、壳体开孔所需补强面积内压容器的圆筒、椭圆形封头开孔所需的补强面积为 式中 开孔直径，圆形

55、孔取接管内直径加两倍壁厚附加量，mm壳体开孔处的计算厚度，接管有效厚度强度削弱系数，等于设计温度下接管材料与壳体材料许用应力之比值，当该比值大于1.0时，取开孔补强结构设计(1)补强形式外加强接管依据：外加强接管结构简单，加工方便，又能满足补强要求，特别适用于中低压容器的开孔补强。(2) 补强结构采用整段件补强依据：这种结构是将接管与壳体连同加强部分作成整体锻件，然后与壳体焊在一起。其优点是补强金属集中于开孔应力最大部分，应力集中现象得到大大缓和。接管处开孔补强的校核以进料管开孔接管补强校核为例：接管计算厚度为： 开孔直径： 式中 接管的厚度附加量，取4mm。已知壳体的名义厚度 ，补强部分厚度

56、 ，接管有效补强宽度为： 接管外侧有效补强高度为： 需要补强的金属面积为： 可作为补强的金属面积为： 因 ，同时考虑接管与壳体焊接面积，则该开孔接管补强的强度足够。同理可校核出塔顶上升蒸汽管、回流液管、釜残液出料管处开孔接管补强均满足强度要求。人孔开孔补强的校核人孔计算厚度： 开孔直径： 人孔有效补强宽度为： 人孔外侧有效补强高度为： 需要补强的金属面积： 可作为补强的金属面积为： 由于 ，故人孔开孔补强的强度足够。6塔体机械强度计算6.1 质量载荷的计算圆筒壳、裙座和封头质量式中： 其中，塔高 ，封头高度 ，裙座高度 附属件质量 内构件质量 （为筛板塔盘单位质量，其值为65 ，见化工设备机械

57、基础表16-18）保温层质量 （注：塔体外表面附有100mm厚保温层，保温材料密度为 ）平台、扶梯质量（笼式扶梯单位质量）（注：塔体每隔4m安装一层操作平台，共两台，平台宽 ,单位质量 ，包角）物料质量 （式中：塔内的平均密度 ）水压试验时质量 则塔器操作质量塔器最大质量塔器最小质量将塔沿高度方向分成7段，其中裙座2段（每段高度为1000m），筒体均匀分为5段(每段高度为1330m)，其各段质量见下表（单位：）：表61 精馏塔筒体各段质量段号1234567000040400000(式中：为材料在设计温度下的弹性模量，其值为，见于化工设备机械基础附表1-2。)地震载荷的计算（1）水平地震力在高度

58、 处的集中质量所引起的基本震型水平地震力由下式计算：地震烈度为7时，地震影响系数最大值 （见于化工设备机械基础表16-19，设计基本地震加速度为）类场地上 （见于化工设备机械基础表16-20）对应于塔设备基本震型自振周期 的地震影响系数 由下式计算： 其中， 地震影响系数曲线下降段的衰减指数阻尼调整系数 (式中 第i震型阻尼比，第一震型阻尼比取为0.01)则 基本震型参与系数由下式计算： 将塔沿高度方向分成7段，其中裙座2段（每段高度为1000m），筒体均匀分为5段(每段高度为1330m)，视每段高度之间的质量为作用在高度 处集中质量 , 则做出以下表格：表62 精馏塔筒体各段集中质量塔段号1

59、234567500150026653995432556556985则， 所以 同理可得， 则 同理可得： （2）垂直地震力塔设备底截面处总的垂直地震力为式中 垂直地震影响系数最大值，取 塔设备的当量质量，取 则 任意质量 处所分配的垂直地震力为 又 则 同理任意计算截面II处的垂直地震力为 地震弯矩的计算因为 ，且 ，故不考虑高振型影响。底截面00的地震弯矩 II 截面地震弯矩 IIII 截面地震弯矩 风载荷的计算两相邻计算截面间的水平风力为 式中 10 m 高度处的基本风压值，因厂区建在乌鲁木齐，则经查手册可得该地的风压值 风压高度变化系数，因本设计中塔全高为，则经查资料（化工设备机械基础表

60、16-22）得 （B类）同一直径的两相邻计算截面间距离 mm塔设备各计算段的有效直径 mm塔设备各计算段的风振系数，当塔高小于20m将塔沿高度方向分成6段，经查手册得笼式扶梯当量宽度 ，操作平台当量宽度 ，则有关数据见于下表：表63 计算风载荷的相关数据塔段号1234567长度/m(B类)/mm1000100013301330133013301330/mm1412141216122122161221221612则 同理得 风弯矩的计算因为 ，且 ，故不考虑横风向风振。 00 截面风弯矩 II 截面风弯矩 IIII 截面风弯矩 压力在塔体中引起的轴向应力 可有下式计算 压力引起的轴向应力分布在危