二硫化碳-四氯化碳连续精馏塔设计

.z.**化工学院化工原理课程设计PAGEI东北石油大学石化装备设计综合实训题目题目二硫化碳-四氯化碳连续精馏塔设计学院机械科学与工程学院专业班级过程装备与控制工程11-2学生**学生**指导教师2014年3月21日-.z.东北石油大学课程实训任务书课程石油装备设计综合实训题目二硫化碳-四氯化碳连续精馏塔设计专业过程装备与控制工程**主要容：1设计方案确实定及工艺流程的说明和绘制；2.塔的工艺计算；3.塔和塔板主要工艺构造的设计计算；4.塔流体力学性能的设计计算、负荷性能图的绘制；5.塔体的强度校核；6.绘制塔体装配图。设计条件在连续精馏塔中别离二硫化碳和四氯化碳混合液，原料液在泡点下进入塔，其流量为4000kg/h，组成为0.3〔质量分率〕，馏出液组成为0.90，釜液组成0.025，操作回流比取为最小回流比的1.8倍，操作压强为1atm，全塔操作平均温度为61℃，空塔速度取0.8m/s，板间距取0.4m，全塔效率取60%，试设计此连续精馏塔。主要参考资料：[1]GB150-2011，压力容器[S].[2]津洋，董其伍，桑芝富.过程设备设计[M].：化学工业,2010.[3]4710－2005，钢制塔式容器[S].[4]SH3098-2011，石油化工塔器设计规[S].完成期限2014年3月21日指导教师专业负责人2014年2月24日-.z.目录TOC\o"1-2"\h\z\u第1章工艺综述11.1流程的设计及说明11.2工艺流程图1第2章塔设备的工艺设计22.1参数22.2选塔依据22.3精馏流程确实定32.4塔的物料衡算32.5塔板数确实定32.6塔工艺条件及物性数据计算52.7精馏塔气液负荷计算8第3章塔设备的构造设计93.1塔和塔板的主要工艺尺寸的计算93.2筛板的流体力学验算133.3塔板负荷性能图173.4接收设计213.5塔总高度计算21第4章塔设备的强度校核234.1按设计压力初步确定塔体的厚度234.2确定危险截面位置234.3塔的质量载荷计算234.4塔的自振周期计算254.5地震载荷计算254.6风载荷计算264.7截面的最大弯矩组合274.8筒体和裙座危险截面的强度与稳定性校核294.9筒体和裙座水压试验应力校核304.10根底环设计314.11地脚螺栓计算32第5章设计结果汇总34参考文献36-.z.第1章工艺综述1.1流程的设计及说明自罐区来的渣油、自预处理装置的加氢尾油和自罐区来的加氢尾油经过速度、温度、压力监测装置，经过自动流量控制、通过管道混合器混合，进入原料油缓冲罐；自一段提升管近入返回线、二段提升管进料返回线、开工循环线、油浆返塔线来的油和开工循环油经过截止阀之后分为两局部，第一局部经过102-100-P-2045-4.0A1-ST进入原料油缓冲罐，第二局部经过102-100-P-2045A-4.0A1-ST进入回炼油罐，在原料油缓冲罐中缓冲，其缓冲过程中产生的油气排至102-7-201，沉降后的油经过原料升压泵升压。经过流量自动控制之后作为原料油输送至102-E-205。自102-T-201来的回炼油进入回炼油罐反响，回炼油罐中产生的油气经过截止阀的控制，其中一局部经102-100-P-2046-4.0A1-HI流入102-T-201，另一局部经102-100-P-2046A-4.0A1-PP至管P-2016其中产生的回炼油通过温度和速度的监测，一局部通过截止阀至管P-2037，另一局部回炼油通过回炼油泵升压之后分为两局部，其中一局部通过流量自动控制系统输送至102-T-201，另一局部回炼油通过截止阀控制与来自FL0-5001的冲洗油混合后经过换热器降温并通过温度观测装置到达一定温度标准之后分两局部流出，第一局部经过流量自动控制系统进入102-T-201，第二局部经过流量控制装置之后流入管P-2011，此时来自102-E-205的原料油进入换热装置作为冷凝液，被加热之后与来自FL0-5001的冲洗油混合流入至102-E-206。在换热过程中，被冷凝的回炼油的温度作为传送量通过温度检测控制系统影响原料油的流量，当被冷凝的回炼油的温度高于标准温度，原料油经过换热器时回炼油冷凝，假设被冷凝的回炼油的温度低于标准温度，原料油不经过换热器直接被排至102-E-206.1.2工艺流程图见分馏局部汽提塔及柴油冷却局部工艺管道及仪表流程图第2章塔设备的工艺设计2.1参数主要根底数据:表2-1二硫化碳和四氯化碳的物理性质工程分子式分子量沸点密度二硫化碳7646.51.260四氯化碳15476.81.595表2-2液体的外表压力(单位:)温度46.55876二硫化碳28.526.824.5四氯化碳23.622.220.2表2-3常压下的二硫化碳和四氯化碳的气液平衡数据液相中二硫化碳摩尔分率气相中二硫化碳摩尔分率液相中二硫化碳摩尔分率气相中二硫化碳摩尔分率000.39080.63400.02960.08230.53180.74700.06150.15550.66300.82900.11060.26600.75740.87900.14350.33250.86040.93200.25800.49501.01.02.2选塔依据工业上，塔设备主要用于蒸馏和吸收传质单元操作过程。对于一个具体的别离过程，通常按以下五项标准进展综合评价：(1)通过能力大，即单位塔截面能够处理得气液负荷高；(2)塔板效率高；(3)塔板压降低；(4)操作弹性大；(5)构造简单，制造本钱低。而筛板塔是现今应用最广泛的一种塔型，设计比拟成熟，具体优点如下：(1)构造简单、金属耗量少、造价低廉。(2)气体压降小、板上液面落差也较小。(3)塔板效率较高，改良的大孔筛板能提高气速和生产能力，且不易堵塞塞孔。2.3精馏流程确实定二硫化碳和四氯化碳的混合液体经过预热到一定的温度时送入到精馏塔，塔顶上升蒸气采用全凝器冷假设冰霜凝后，一局部作为回流，其余的为塔顶产品经冷却后送到贮中，塔釜采用间接蒸气再沸器供热，塔底产品经冷却后送入贮槽。2.4塔的物料衡算(1)料液及塔顶塔底产品含二硫化碳的质量分数(2)平均分子量(3)物料衡算每小时处理摩尔量总物料衡算易挥发组分物料衡算联立以上三式可得：2.5塔板数确实定(1)根据二硫化碳和四氯化碳的气液平衡数据作出*-y图,如图2-1所示(2)进料热状况参数q=1(3)q线方程(4)最小回流比及操作回流比R因为是泡点进料，对于二硫化碳与四氯化碳混合液，由相平衡数据可得到不同的相对挥发度取操作回流比精馏段操作线方程提馏段操作线方程利用图解法求得理论板层数，理论10层，第6级为加料板，故精馏段理论版层数为5，因为再沸器相当于一层理论板，故提馏段理论板层数为4。精馏段塔板数，即取为9层提馏段塔板数，即取为7层全塔实际板数，即取为16层图2-1理论板层数的图解法2.6塔工艺条件及物性数据计算(1)操作压强的计算Pm塔顶压强：PD=101.3取每层塔板压降△P=0.9kPa则：进料板压强：PF=101.3+90.9=109.4kPa 塔釜压强：Pw=101.3+160.9=115.7kPa精馏段平均操作压强：Pm=kPa提馏段平均操作压强：kPa(2)操作温度的计算近似取塔顶温度为46.5℃，进料温度为58℃，塔釜温度为76℃精馏段平均温度℃提馏段平均温度℃(3)平均摩尔质量计算塔顶摩尔质量的计算：由，查平衡曲线，得=0.897；；进料摩尔质量的计算：由平衡曲线查得，=0.46，=0.693；；；塔釜摩尔质量的计算：由平衡曲线查得，=0.05，=0.13；精馏段平均摩尔质量：；；提馏段平均摩尔质量：；；(4)平均密度计算：m表2-4不同温度下的密度及质量分数列表位置温度塔顶46.512241543进料口5812061508塔釜7611771485①液相密度：Ⅰ塔顶局部依下式：〔为质量分率〕(2-1)其中=0.9，=0.1；；Ⅱ进料板处由加料板液相组成其中=0.3得=0.7；；Ⅲ塔釜处液相组成其中=0.025，得=0.975；；故精馏段平均液相密度：；提馏段的平均液相密度：；②气相密度：Ⅰ精馏段的平均气相密度Ⅱ提馏段的平均气相密度⑸液体平均外表力的计算表2-5不同温度下的外表力位置温度塔顶46.528.41623.669进料口5826.75922.286塔釜7624.08920.067液相平均外表力依下式计算，(2-2)①塔顶液相平均外表力的计算由=46.5℃查手册得：；②进料液相平均外表力的计算由=58℃查手册得：；③塔釜液相平均外表力的计算由=76℃查手册得：；则精馏段液相平均外表力为：提馏段液相平均外表力为：⑹液体平均粘度的计算液相平均粘度依下式计算，(2-3)塔顶液相平均粘度的计算，由=46.5℃查手册得：，；；进料板液相平均粘度的计算：由=58℃手册得：，；；塔釜液相平均粘度的计算：由=76℃查手册得：，；2.7精馏塔气液负荷计算⑴精馏段⑵提馏段：第3章塔设备的构造设计3.1塔和塔板的主要工艺尺寸的计算⑴塔径D板间距=0.4m,取板上液层高度=0.07m故：①精馏段：全塔空塔气速为0.8m/s按下式计算塔径(3-1)所以塔径D将塔径圆整为0.8m则塔的横截面积②提馏段：全塔空塔气速为0.8m/s所以塔径D将塔径圆整为0.8m则塔的横截面积为⑵溢流装置采用单溢流、弓形降液管、平形受液盘及平形溢流堰，不设进流堰。各计算如下：①精馏段：Ⅰ溢流堰长：取堰长=0.7D，即Ⅱ出口堰高由/D=0.7,，查手册知：E为1.02依下式得堰上液高度：(3-2)则有；堰高依下式计算(3-3)则有；Ⅲ降液管宽度与降液管面积由=0.7查手册得(3-4)(3-5)故=0.15=0.150.8=0.12m；；降液管液体的停留时间依下式计算(3-6)，停留时间，故降液管尺寸符合要求Ⅳ降液管底隙高度取液体通过降液管底隙的流速=0.08m/s，降液管底隙高度依下式计算，(3-7)取②提馏段：Ⅰ溢流堰长：取，即：；Ⅱ出口堰高由，查手册知E为1.03堰上液高度：；；Ⅲ降液管宽度与降液管面积有=0.7查手册得；故：=0.15=0.150.8=0.12m;Ⅳ降液管底隙高度停留时间，故降液管尺寸合理取液体通过降液管底隙的流速=0.08m/s降液管底隙高度⑶塔板布置取边缘区宽度=0.035m,安定区宽度=0.065m①精馏段：依下式计算开孔区面积(3-8)其中故:;②提馏段：依下式计算开孔区面积其中⑷塔板布置及浮阀数目与排列取阀孔动能因子,计算阀孔气速阀孔气速依下式计算(3-9)精馏段：提馏段：塔板上的筛孔数N筛孔数依下式计算(3-10)精馏段：提馏段：浮阀排列方式采用等边三角叉排阀控中心距依下式计算(3-11)取t为75mm，排得阀数为57个。对精馏段，按N=57重新核算孔速及阀孔动能因数，依式(2-12)和(2-13)计算阀孔动能因数扔在9~12围。塔板开孔率=对提馏段，按N=57重新核算孔速及阀孔动能因数，依式(2-12)和(2-13)计算阀孔动能因数变化不大，仍在9~12围。塔板开孔率=图3-1阀孔排布图图3-1阀孔排布图⑸塔有效高度精馏段提馏段有效高度精馏塔的有效高度，3.2筛板的流体力学验算⑴气体通过浮阀塔板的压力降：(3-12)①干板阻力：由下式计算干板阻力(3-13)精馏段：提馏段：精馏段：，用下式计算干板阻力(3-14)则有m液柱。提馏段：，用式(2-17)计算干板阻力，即有m液柱②板上充气液层阻力由图查得充气系数为0.57，由下式计算(3-15)精馏段：液柱提馏段：液柱③液体外表力所造成的阻力此阻力很小，忽略不计，由式(2-15)得到，与气体流经一层浮阀塔板的压力降所相当的液柱高度为精馏段：液柱提馏段：液柱则单板压降依下式计算(3-16)精馏段：提馏段：⑵液泛为了防止液泛现象的发生，要求控制降液管中清液层高度(3-17)可用下式计算(3-18)①与气体通过塔板的压力降所相当的液柱高度：前已算出。精馏段：液柱提馏段：液柱②液体通过降液管的压头损失，因不设进口堰，按下式计算(3-19)精馏段：液柱提馏段：液柱③板上液层高度：前已选定板上液层高度为，则由式(2-21)精馏段：提馏段：取又已选定由式(2-20)精馏段：，符合防止液泛的要求。提馏段：，符合防止液泛的要求。⑶雾沫夹带按下式计算泛点率泛点率=(3-20)及泛点率=(3-21)精馏段：板上液体流经长度由下式计算(3-22)则有板上液流面积由下式计算(3-23)则有取物性系数K=0.85，查得泛点负荷系数,将以上数值代入两式。泛点率=泛点率=两式算出的泛点率均在70%以下，故知雾沫夹带量能够满足的要求。提馏段：板上液体流经长度板上液流面积取物性系数K=0.85，查得泛点负荷系数,将以上数值代入两式。泛点率=泛点率=两式算出的泛点率均在70%以下，故知雾沫夹带量能够满足的要求。3.3塔板负荷性能图⑴雾沫夹带线精馏段：由下式计算按泛点率为70%计算如下，整理得0.0515+0.762=0.0285(3-24)雾沫夹带线为直线则在操作围任取两个值，算出相应的，可作雾沫夹带线表3-1精馏段雾沫夹带线数据0.0010.010.5380.405提馏段：由式(2-27)，按泛点率为70%计算如下，整理得0.0581+0.762=0.0283(3-25)雾沫夹带线为直线则在操作围任取两个值，算出相应的，可作雾沫夹带线表3-2提馏段雾沫夹带线数据0.0010.010.4740.356⑵液泛线由上式确定液泛线，忽略式中，可得(3-26)因物系一定，塔板构造尺寸一定，则等均为定值，而与又有如下关系，即,式中阀孔数N与孔径亦为定值，因此可将上式简化，精馏段：整理得或 (3-27)在操作围取假设干个值，算出相应的值：表3-3精馏段液泛线数据0.0010.0040.0070.8600.6860.317提馏段：整理得或(3-28)在操作围取假设干值，算出相应的的值：表3-4提馏段液泛线数据0.0010.0040.0070.7890.6910.576⑶液相负荷上限线液体的最大流量应保证在降液管中停留的时间不低于3~5s，液体在降液管停留的时间为以=5s作为液体在降液管中停留时间的下限，则精馏段：提馏段：求出上限液体流量值〔常数〕，在图上液相负荷上限线为与气体流量无关的竖直线。⑷漏液线〔气相负荷下限线〕对于型重阀，依计算，则则得以作为规定气体最小负荷的标准，则：精馏段：提馏段：据此作出与液体流量无关的水平漏液线⑸液相负荷下限线取堰上液层高度=0.006m作为液相负荷下线条件，依的计算式计算出的下限值，依次作出液相下限线，该线为与气相流量无关的竖直直线取E=1，则有精馏段：提馏段：图3-2精馏段塔板负荷性能图图3-3提馏段塔板负荷性能图3.4接收设计接收尺寸由管蒸汽速度及体积、流量决定塔顶蒸汽出口管径取u=15m/s查表选取管径规格为⑵回流管管径取u=0.4m/s,选取管径规格为⑶塔底进气管取u=15m/s，选取管径规格为⑷加料管管径取u=1.5m/s选取管径规格为⑸料液排出管管径取u=0.6m/s选取管径规格为⑹其余仪表管径其余仪表管径选取管径为3.5塔总高度计算⑴塔顶封头采用椭圆封头，公称直径800mm，总深度225mm，外表积0.7566，直边段高度h为25mm封头高度⑵塔顶空间塔顶间距安装除沫器后选取塔顶空间1.1m⑶塔底空间釜液停留5min,塔底页面至下一层塔板间距为1m。⑷进料板处板间距进料板处安装防冲设施，取进料板处板间距⑸裙座考虑到再沸器，取裙座高度⑹人孔一般每隔6~8层塔板设一个人孔，取人孔直径450mm，本塔中共有16块塔板，需设置2个人孔，在设置人孔处的板间距设为⑺塔体总高度第4章塔设备的强度校核4.1按设计压力初步确定塔体的厚度取它的设计压力为0.2MPa，设计温度小于100℃，圆筒径，取圆筒材料为Q245，腐蚀余量取为2mm，焊接接头系数。设计温度下Q245的需用应力，，同体积算厚度按下式计算(4-1)则有加上厚度附加量并圆整，还应考虑多种载荷作用，以及制造运输，安装等等因素，取筒体，封头和裙座的名义厚度均为8mm，4.2确定危险截面位置塔的危险截面为，裙座基底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4.3塔的质量载荷计算⑴塔壳和裙座的质量①圆筒质量塔体圆筒总高度为：②封头质量查得DN800mm，壁厚8mm的椭圆形封头的质量为47.11kg，则③裙座质量选用的是圆筒形裙座，所以裙座质量⑵塔构件质量查表得浮阀塔盘单位质量为⑶人孔、法兰、接收与附属物质量⑷保温材料质量为封头保温层质量，取塔体保温层厚度为100mm式中为封头保温层质量，，为不加保温层的封头容积，查表得，为加保温层后的封头容积，查表得⑸平台、扶梯质量式中，B为平台宽度，取B=0.9m，为平台单位质量为；为12.3m；为笼式扶梯单位质量，为，n为平台数量⑹操作室塔物料质量⑺充水质量⑻全塔操作质量⑼全塔最小质量⑽全塔最大质量4.4塔的自振周期计算塔的根本自振周期由下式计算(4-2)则有4.5地震载荷计算⑴地震影响系数一阶振型地震影响系数：由表查得〔设防烈度7度，设计根本地震加速度0.1g〕，由表查得，取一阶振型阻尼比，由式(4-3)得由式(4-4)得由式(4-5)得，所以⑵地震弯矩等直径，等厚度塔式容器的任意截面1-1和底截面0-0的根本振型地震弯矩分别按式(4-6)及(4-7)则有4.6风载荷计算将塔在高度方向上直接视为1段⑴风力计算①风振系数因为塔高H＜20m，所以风振系数取②有效直径设笼式扶梯与塔顶管线呈90°，则取下式计算值中的较大者(4-8)(4-9)取式中塔和管线的保温层厚度，塔顶管线外径，，取，则有效直径取较大者，所以有效直径③水平风力由式(4-10)计算塔的水平风力。式中体型系数，取，，取为，为风压高度系数变化，查表得(10m，C类场地土〕，，，则⑵风弯矩计算0-0截面：1-1截面：2-2截面：4.7截面的最大弯矩组合(4-11)⑴计算压力引起的轴向拉应力⑵重量载荷引起的轴向压应力0-0截面：1-1截面：：开孔处截面积(4-12)所以2-2截面：⑶各危险截面的计算如下：0-0截面：1-1截面：式中(4-13)所以式中，为裙座人孔处截面的抗弯截面系数，2-2截面：4.8筒体和裙座危险截面的强度与稳定性校核⑴筒体的强度与稳定性校核①强度校核：筒体危险截面2-2处的最大组合轴向拉应力轴向许用应力：因为，故满足强度条件②稳定性校核：筒体危险截面2-2处的最大组合轴向压应力许用轴向压应力：，取其中最小值按圆筒材料，查对应的外压应力系数曲线图得则，取⑵裙座的稳定性校核裙座危险截面0-0及1-1处的最大组合轴向压应力按裙座材料，查对应的外压应力系数曲线图得则，取因为，，故满足稳定性条件4.9筒体和裙座水压试验应力校核⑴筒体水压试验应力校核①由试验压力引起的环向应力试验应力(4-14)因为，故满足要求②由试验压力引起的轴向应力③水压试验时，重力引起的轴向应力④由弯矩引起的轴向应力⑤最大组合轴向拉应力校核许用应力：因为，故满足要求⑥最大组合轴向压应力校核轴向许用压应力，取其中最小值，取因为，故满足要求⑵裙座水压试验应力校核①水压试验时，重力引起的轴向应力②由弯矩引起的轴向应力③最大组合轴向压应力校核轴向许用压应力，取其中较小值，取因为，，故满足要求4.10根底环设计⑴根底环尺寸取⑵根底环的应力校核，取其中较大值(4-15)①②取，选用75号混凝土，其许用应力因为，故满足要求⑶根底环厚度按有筋板时计算根底环的厚度设地脚螺栓直径为M36，l=160mm，则，查表得矩形板计算力矩，按式，，计算取，根底环材料的许用应力，根底环厚度由下式计算(4-16)取4.11地脚螺栓计算⑴地脚螺栓承受的最大拉应力，取其中较大值(4-17)取⑵地脚螺栓直径因为，故此塔设备必须安装地脚螺栓，取地脚螺栓个数n=20，地脚螺栓材料的许用应力，地脚螺栓的螺纹小径由下式计算