化工原理和化工机械课程设计——精馏塔设计

1、化工原理及化工机械课程设计 hubei university for nationalities化工原理及化工机械 课程设计论文题目 苯-乙苯连续精馏塔的设计 院 系 化学与环境工程学院 专 业 应用化学 姓 名 喻龙 学 号 040740581 指导老师 谭志斗副教授和周红艳副教授 2010年6月25日the course design of the principles of chemical engineering and fundaental cheical process equipment the design of continuous distillation for ethy

2、lbenzene and benzene candidate: long yuspeciality: applied chemistrysupervisor: tan zhidou and zhou hongyanjune 25th,2010内容摘要精馏过程的实质是利用混合物中各组分具有不同的挥发度。即在同一温度下，各组分的饱和蒸汽压不同这一性质，使液相中的轻组分转移到汽相中，汽相中的重组分转移到液相中，从而达到分离的目的。根据设计条件以及给出的数据描述出塔温度的分布，求得最小回流比以及塔顶的相对挥发度、塔釜的相对挥发度、全塔平均相对挥发度，又根据物料平衡公式分别计算出精馏段和提馏段的汽、液两

3、相的流量。之后，计算塔板数、塔径等。根据这些计算结果进行塔板结构的设计。计算和设计这些之后进行有关的力学性能计算和一系列的校核。关键词：精馏 设计条件 塔板结构的设计 校核abstractthe essence of rectification process is using the characteristic of each component in the mixture with different volatility. in another word，the character which the different of each component of saturated

4、steam pressure makes the light phase that in the liquid transfers to the steam phase and the reorganization of vapor phase transfers to the liquid in the same temperature, and thus achieved the purpose of separation. firstly, we can describe the temperature distribution and based on the design condi

5、tions and the given datas. scendly, we can get the minimum reflux ratio and the relative volatility in the tower top , and the relative volatility in the tower kettle, and the average relative volatility in whole tower. according to the material balance equation, we can figure out the rate of the fl

6、ow in the two-phase that steam and liquid of the rectifying section and stripping section. after that, we also need to calculate the number of the plate and the diameter of the tower, etc. according to the calculation results of the tower ,we can do the next assignment ,structure design. at last, we

7、 should calculate the mechanical properties and series of output tests .keywords rectification design conditions tower structure design output test目录 中文摘要3英文摘要4第1章 综述81.1精馏原理及其在工业生产中的运用81.1.1精馏原理81.1.2 在工业生产中的运用101.2精馏操作对塔设备的要求101.3设计任务及操作条件101.4常用板式塔类型及本设计的选型111.5本设计所选塔的特性11第2章 塔的工艺计算122.1主要基础数据122

8、.2工艺计算及主体设备设计132.2.1物料衡算132.2.2 塔板数的计算152.2.3 热量平衡192.2.4 塔径计算202.3塔板结构222.4流体力学计算252.4.1 降液装置252.4.2漏液验算262.4.3液泛验算262.4.4雾沫夹带验算26第3章 塔的结构设计273.1塔顶273.1.1 塔顶空间273.1.2 塔顶蒸汽出口273.2塔底273.2.1 塔底空间273.2.2 塔底出口273.3 进口273.3.1 塔顶回流进口273.3.2 原料进口283.4 裙座283.4.1裙座的形状283.4.2 裙座与塔壳的连接283.4.2 裙座与塔壳的连接283.5 塔盘2

9、83.5.1 塔盘类型283.5.2 塔盘板形状283.5.3 支持圈和支持板的尺寸283.6 塔高的计算29第4章 强度校核304.1设计条件304.2塔壳厚度计算304.3偏心载荷计算304.4质量载荷计算304.4.1筒体圆筒、封头、裙座质量314.4.2 塔内构件的质量314.4.3 保温层质量314.4.4平台扶梯质量314.4.5 操作时塔内物料质量324.4.6附件质量324.4.7充水质量324.4.8 塔器的操作质量324.4.9 塔器的最小质量324.4.10 塔器的最大质量324.5风载荷和风弯矩计算334.5.1 风载荷334.5.2 风弯矩334.6地震载荷及地震弯矩

10、33 4.7各种载荷引起的轴向应力33 4.7.1计算压力引起的轴向拉应力1344.7.2最大弯矩引起的轴向应力3354.8塔体和裙座危险截面的强度与稳定校核364.8.1塔体的最大组合轴向拉应力校核364.8.2 塔体与裙座的稳定校核364.9塔体水压试验和吊装时的应力校核374.9.1.水压试验时各种载荷引起的应力374.9.2水压试验时应力校核374.10基础环的计算384.10.1基础环尺寸384.10.2基础环的应力校核384.10.3基础环的厚度394.10.4地脚螺栓计算394.10.5地脚螺栓的螺纹小径39第5章 主要计算结果列表40课程设计总结44参考文献45致谢46 第1章

11、 综述1.1精馏原理及其在工业生产中的运用1.1.1精馏原理：蒸馏是提纯液体物质和分离混合物的一种方法，但它只能粗略地把多组分系统相对分离。若要高效率地使混合物得到较为完全的分离怎么办呢？那就要采用精馏的方法。利用混合物中各组分的沸点不同，挥发能力的差异，通过液相和气相的回流，使气、液两相逆向多级接触，在热能驱动和相平衡关系的约束下，使得易挥发组分（轻组分）不断从液相往气相中转移，而难挥发组分却由气相向液相中迁移，使混合物得到不断分离，称该过程为精馏。其精馏塔如图1所示。原料从塔中部适当位置进塔，将塔分为两段，上段为精馏段，不含进料，下段含进料板为提留段，冷凝器从塔顶提供液相回流，再沸器从塔底

12、提供气相回流。图1 精馏塔精馏实际上是多次简单蒸馏的组合。在精馏段，气相在上升的过程中，气相低沸点组分不断得到精制，在气相中不断地增浓，在塔顶获得低沸点产品。在提馏段，其液相在下降的过程中，其低沸点组分不断地提馏出来，使高沸点组分在液相中不断地被浓缩，在塔底获得高沸点产品，如图2。图2 精馏过程以苯、乙苯溶液进行精馏a(乙苯)，b(苯)为例，从塔的中间o点进料。在o点时，气、液两相的组成分别为x3 和y3 。如果把组成y3 气相冷到t2,则气相中沸点较高的组分将部分地冷凝为液体,得到组成为x2 的液相和组成为y2的气相，依此类推。最后所得到的蒸气的组成可接近纯b，冷凝后即得纯液体b。液相部分，

13、对x3的液相加热到t4，液相中沸点较低的组分部分气化，得到组成为x4的液相和组成为y4的气相，依此类推。最后得到纯a。多次反复部分蒸发和部分冷凝的结果，使气相组成沿气相线下降，最后从塔底得到纯丙醇，液相组成沿液相线上升，最后从塔顶得到恒沸混合物。精馏过程与其他蒸馏过程最大的区别，是在塔两端同时提供纯度较高的液相和气相回流，为精馏过程提供了传质的必要条件。提供高纯度的回流，使在相同理论板的条件下，为精馏实现高纯度的分离时，始终能保证一定的传质推动力。所以，只要理论板足够多，回流足够大时，在塔顶可能得到高纯度的低沸点产品，而在塔底获得高纯度的高沸点产品，因此精馏比简单蒸馏的效率大大的提高了。所以它

14、在工业上具有广泛的应用。1.1.2 在工业生产中的运用：塔设备是化工、炼油生产中最重要的设备之一。塔设备的设计和研究，已经受到化工行业的极大重视。在化工生产中，塔设备的性能对于整个装置的产品产量、质量、生产能力和消耗定额，以及三废处理和环境保护等各个方面，都有非常重大的影响。1.2精馏操作对塔设备的要求 精馏所进行的是气(汽)、液两相之间的传质，而作为气(汽)、液两相传质所用的塔设备，首先必须要能使气(汽)、液两相得到充分的接触，以达到较高的传质效率。但是，为了满足工业生产和需要，塔设备还得具备下列各种基本要求： () 气(汽)、液处理量大，即生产能力大时，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液或液泛

15、等破坏操作的现象。 () 操作稳定，弹性大，即当塔设备的气(汽)、液负荷有较大范围的变动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定的操作并应保证长期连续操作所必须具有的可靠性。 () 流体流动的阻力小，即流体流经塔设备的压力降小，这将大大节省动力消耗，从而降低操作费用。对于减压精馏操作，过大的压力降还将使整个系统无法维持必要的真空度，最终破坏物系的操作。 () 结构简单，材料耗用量小，制造和安装容易。 () 耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。 () 塔内的滞留量要小。实际上，任何塔设备都难以满足上述所有要求，况且上述要求中有些也是互相矛盾的。不同的塔型各有某些独特的优点，设计时应根据物系性质和具

16、体要求，抓住主要矛盾，进行选型。1.3设计任务及操作条件1）进精馏塔的料液含乙苯40%（质量分数，下同），其余为苯；2）塔顶的乙苯含量不得高于2%；3）残液的乙苯含量不得低于98%；4）生产能力为年产12000吨98%的乙苯产品；5）操作条件：a塔顶压力 4kpa（表压）b进料热状态c回流比 自选d加热蒸汽压力 0.5mpa（表压）e单板压降=-t（2）提馏段()秒55.61009.24.0034.031=-t5.降液管下端与下层塔板间的距离由公式可求得h0=ls/(lwul)=1.29910-3/(0.520.026)=0.096m上下两段均选用h0=96mm参考表11-1中所列的推荐数字估

17、定规格为：a=0.7850.82=0.5024m2降液管总截面积ad=0.068a=0.034 m2塔净截面积an=（1-0.068）a=0.4682 m2塔板工作总面积aa=（1-20.068）a=0.4341 m2孔总面积a0=0.1a=0.05024 m2孔径d0=3mm板厚tp=2.5mm堰高hw=40mm孔个数n=a0/（0.785d02）=7111.11取整为7112个2.4 流体力学计算2.4.1塔板压力降(1)精馏段干板压力降由公式h0=（u0/c0）2g/（2gl）得：h0=（0.897/0.0655）22.68/（2g813.84）=0.0315mlw=0.52mvl=1.

18、829m3/h=5.0810-4 m3/svl/lw0.25=6.010-4查表得fw=1.0hw=0.04mhow=0.0028fw（ vl/lw）2/3=0.0065muag1/2=1.7查表得=0.6he=（hw+how）=0.6（0.04+0.0065）=0.0279mht=h0+he=0.0315+0.0279=0.0594即p=gh=0.593kpa0.7kpa 符合题意(2)提馏段干板压力降由公式h0=（u0/c0）2g/（2gl）得：h0=（0.754/0.0688）23.189/（2g763.81）=0.0256mlw=0.52mv1l=7.515m3/h=2.0910-3

19、m3/sv1l/lw0.25=2.4610-3查表得f1w=1.0h1w=0.04mh1ow=0.0028fw（ v1l/lw）2/3=0.0166mu1a1g1/2=1.56查表得1=0.62h1e=1（h1w+h1ow）=0.62（0.04+0.0166）=0.035mh1t=h10+h1e=0.061m即p1=gh=0.595kpa0.7kpa 符合题意2.4.2漏液验算：取能动因素f0=5，相应的气相最小负荷vsmin=(3.14/4)d02nu0min其中u0min=f0/（g）1/2=3.05m/s，vsmin=0.1533m/s可见不会产生过液漏液2.4.3液泛验算：hd=ht+

20、hw+how+hd其中ht=0.0593mhw=0.04mhow=0.0065mhd=1.39（vl/ada）2/gada=0.0960.52=0.04992m2hd=1.39（1.29910-3/0.04992）2/9.81=9.610-6mhd=0.0593+0.04+0.0065+9.610-6=0.1m为防止液泛，通常hd不大于（ht+hw），取0.5（ht+hw）=0.5（0.4+0.0064）=0.2mhd （ht+hw）故不会产生液泛。2.4.4雾沫夹带验算：泛点率f1=vs(g/l-g)1/2+1.36lsz/(kcfab)其中k=1.0z=d-2wd=0.8-20.096=0

21、.608ab=at-2af=0.7850.82-20.7850.820.068=0.434查化工工艺设计手册可知cf=0.08可求f1=0.7680%可见雾沫夹带在允许范围内。第3章 塔的结构设计3.1塔顶3.1.1 塔顶空间塔顶空间一般取hd=1.21.5米，在此，我们取塔顶空间为hd=1.5米。3.1.2 塔顶蒸汽出口管内蒸汽流速ug=4ls/(3.14nd02)=40.41510-3/(3.147112910-6)=8.259m/s，由公式u21/2g +p1/g = u22/2g +p2/g可得u2=2p/ + ug2u=52.86m/sd=0.3m则塔顶蒸汽管直径：0.3m塔顶蒸汽管

22、尺寸为300mm的标准管。选用法兰为dn为300mm的带颈平焊钢质管法兰（hg20594-97）。3.2塔底3.2.1 塔底空间塔底空间一般取hd=1.21.5米，在此，我们取塔低空间为hd=1.5米。3.2.2 塔底出口取釜液出口管尺寸为0.15m的标准管。法兰为dn为150mm的带颈平焊钢制管法兰（hg20594-97）。3.3 进口3.3.1 塔顶回流进口回流液由泵输送时，速度可取1.52.5（米/秒），现取2m/s。ul=4ls/（3.14nd02）=41.29910-3/（3.147112910-6）=0.026m/s由u1d21=u2d22可得：d=0.09m取塔顶回流进口管尺寸为

23、100mm的标准管。法兰为dn为100mm的带颈平焊钢制管法兰（hg20594-97）。3.3.2 原料进口料液由泵输送时速度可取1.52.5（米/秒），现取2m/s由u1d21=u2d22可得：=0.06m取原料进口管管径为80mm的标准管。法兰为dn为80mm的带颈平焊钢制管法兰（hg20594-97）。3.4 裙座选材：q235-b，裙座高3m3.4.1裙座的形状 为了制作的方便，裙座我们选用圆筒形裙座。3.4.2 裙座与塔壳的连接 裙座与塔壳的连接采用对接接头形式。3.5 塔盘3.5.1 塔盘类型为了方便在塔的内部进行拆装工作，因此我们选用分块式塔盘。3.5.2 塔盘板形状选用矩形塔板

24、3.5.3 支持圈和支持板的尺寸支持圈宽度为40mm，支持板宽度为40mm，材料为碳钢，厚度为6mm3.6 塔高的计算已知实际塔板数为n=14块，塔板距ht=0.4m，由于料液清洁，无须经常清洗，可取每七层设一人孔，则人孔数为三个。选择dn450mm人孔，其中人孔处塔板间距为800mm，位置分别为：人孔1位于1塔板下，人孔2位于加料板8下，人孔3位于14塔板上。进料处板空间高度为hf=0.8m。全塔高度h0=1.5+0.84+100.4+1.5=10.2m第4章 强度校核4.1设计条件武汉地区的基本风压值250n/m2；地震设防烈度为45级，小于等于6级；塔内装有14层筛板塔盘，每块塔盘存留的

25、介质高为70mm，介质密度为800公斤/立方米；塔壳外表面保温层厚度为100mm ，保温层材料密度为300公斤/立方米；塔上每隔5m安装一层操作平台，宽1m操作平台共2层，单位质量为150公斤/平方米,包角为180度；塔内设计压力为0.5mpa，设计温度为150，塔壳厚度附加量为2mm，裙座厚度附加量为2mm，裙座高为3m；焊缝系数取0.9；塔全高为13.2m。4.2塔壳厚度计算塔体材料选用16mnr、设计条件下的许用应力为：150mpa。查表48，局部无损检测，=0.8塔体厚度计算：=pcdi/（2t-pc）=0.5800/(21500.8-0.5)=1.67mm考虑厚度附加量c=2mm，经

26、圆整，n=6mm选用标准椭圆形封头，所以k=1封头厚度计算：=pcdi/（2t-0.5pc）=0.5800/(21500.8-0.25)=1.668mm考虑厚度附加量c=2mm，经圆整，n=6mm4.3 偏心载荷计算塔体与裙座间悬挂一台再沸器，其操作质量为me1=4000kg，偏心距e1=2000mm；塔顶悬挂一台冷凝器，其操作质量me2=1000kg，偏心距e2=2000mm，me=mege=（4000+1000）20009.81=9.81107nmm4.4质量载荷计算4.4.1筒体圆筒、封头、裙座质量m01：筒体圆筒质量：m1=238.410.2=2431.68kg封头质量:m2=175.

27、22=350.4kg裙座质量:m3=238043=71502kgm01=m1+m2+m3=3497.28kg说明：1、塔体圆筒总高度为h0=10.2m 2、查的dn800，厚度为6mm的圆筒质量为238.4kg/m 3、查得dn800，厚度为6mm的椭圆形封头质量为175.2kg/m 4、裙座高度为3000mm，厚度为6mm4.4.2 塔内构件的质量m02m02=0.785di6514=0.7850.826514=457.42（千克）4.4.3 保温层质量m03m03=0.785(di+2n+2)2-(di+2n)2h02+2m03=0.785(0.8+20.006+20.1)2-(0.8+2

28、0.006)210.2300+2(0.177-0.075)300=533kg说明：保温层厚度为100mm ，保温层材料密度为300公斤/立方米，椭球的体积为abc=0.40.40.2=0.075m3，加保温层后体积为0.177m3.4.4.4平台扶梯质量m04m04=0.785(di+2n+2+2b)2-(di+2n+2)20.5nqp+qfhf=0.785(0.8+20.006+20.1+20.9)2-(0.8+20.006+20.1)20.52150+4010=1210.9kg说明：查表8-1得，平台质量qp=150kg/m2，笼式扶梯质量：qf=40kg/m，笼式扶梯总高度为10m，平台数量为n=2个。平台宽度b=900mm，高度为1000mm。4.4.5 操作时塔内物料质量m05m05=0.785di2hwn1 + 0.785di2h01 + v f1 =0.7850.820.0480014+0.7850.821.8800+0.0754800 =1346.75kg说明：物料密度1=800kg/m3，封头容积vf=0.754m3，塔釜圆筒部分深度h0=1.8m，塔板层数n=14，塔板上液层高度hw=0.04m4.4.6附件质量ma按经验取附件质量为ma=0.25m01=874