精馏塔设计设计说明书.doc

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1、毕业设计说明书 题 目： 精馏塔设计 姓 名： 精馏塔设计摘要塔设备是化学工业、食品工业、石油化工等生产中最重要的设备之一。它可使气液或液液两相之间充分接触，达到互相传热和传质的目的。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。通过对塔设备参数的确定、工艺流程的计算、塔高和塔径的确定、以及塔内部结构的确定。再对塔体进行风载荷、地震载荷、地基的许用载荷、地区情况及物料对塔体的腐蚀性进行计算的基础上，最终设计出生产能力为4000千克每小时的乙醇精馏塔。关键词：乙醇，精馏塔，设计THE DESIGN OF DISTILLATION TOWERAbstractTower equi

2、pment is one of the most important equipments in the chemical industry, petrochemical industry and other factories on food products. It will enable the gas-liquid and liquid-liquid two-phase mixed fully, to the purposes of mutual heat transfer and mass transfer. The unit operations in the equipment

3、are: distillation, absorption, desorption, gas humidification and cooling. The design includes the identification of the tower parameters, calculation of the process, the height of the tower and the diameter of the tower, the internal structure of the tower. Base on the wind load, the earthquake loa

4、d, the foundation of the allowable load, the corrosion of the tower caused by the materials. It finally designs the tower with per-hour output 4 tons.Keywords: Ethanol, Distillation Tower, Design目录1 绪论111.1 乙醇简介111.2 精馏塔简介112 精馏塔的工艺计算132.1 装置流程图的确定132.2 乙醇和水的性能参数132.2.1 乙醇的性能参数132.2.2 水的性能参数132.2.3

5、乙醇水溶液沸点比热表142.2.4 乙醇的气液平衡数据142.3 物料衡算142.3.1 塔内的物料衡算142.3.4 物料衡算152.4 理论板层数的确定162.4.1 汽化潜热162.4.2 操作回流比R的确定162.4.3 全塔效率172.4.4 实际塔板数182.5 塔的工艺条件及物性数据计算182.5.1 操作压力182.5.2 操作温度182.5.3 平均分子量182.5.4 平均密度192.5.5 液体表面张力202.6 气液负荷计算202.6.1 精馏段气液负荷计算202.6.2 提馏段气液负荷计算212.7 塔径的确定212.7.1 精馏段塔径212.7.2 提馏段塔径222

6、.8 塔板工艺尺寸计算232.8.1 溢流装置232.8.2 塔板布置252.9 塔板流体力学验算282.9.1 气体通过浮阀塔板的压强降282.9.2 淹塔292.9.3 雾沫夹带的验算302.10 精馏段塔板负荷性能图312.10.1 雾沫夹带线312.10.2 液泛线322.10.3 液相负荷上限线332.10.4 漏液线332.10.5 液相负荷下限线332.11 提馏段塔板负荷性能图342.11.1 雾沫夹带线342.11.2 液泛线342.11.3 液相负荷上限线352.11.4 漏液线352.11.5 液相负荷下限线353 结构设计373.1 封头的壁厚373.2 塔体壁厚和材料

7、的确定373.3 塔体接管的选取383.3.1 塔顶蒸汽出口的选择383.3.2 进料管的选择383.3.3 回流液管的选择393.3.4 出料管的选择393.3.5 进气管的选择393.4 开孔补强403.4.1 塔顶蒸汽出口管的开孔补强403.4.2 进料管的开孔补强423.4.3 回流液管的开孔补强423.4.4 出料管的开孔补强453.4.5 进气管的开孔补强453.5 塔釜容积的确定453.6 法兰的选择453.6.1 筒体法兰的选择453.6.2 接管法兰的选取463.7 塔顶空间的确定463.8 人孔的选取463.9 裙座483.10 塔高的确定494 强度设计514.1 塔体的

8、重量载荷514.1.1 设备壳体质量（含封头和裙座）514.1.2 设备内构件质量514.1.3 设备保温材料质量514.1.4 设备平台质量524.1.5 操作时设备内物料质量524.1.6 附属件质量524.1.7 设备内充水质量524.2 塔体的强度校核534.2.1 筒体壁厚的计算534.2.2 塔的自振周期计算534.2.3 风弯矩计算534.2.4 地震弯矩计算534.2.5 筒体拉应力及稳定验算544.2.6 筒体水压试验的应力验算544.3 裙座的强度设计554.3.1 裙座圈的计算554.3.2 地脚螺栓计算565 结论59参考文献61致谢63附录651 绪论1.1 乙醇简介

9、乙醇在工业、医药、民用等方面，都有很广泛的应用，是很重要的一种原料。在很多方面，要求乙醇有不同的纯度，有时要求纯度很高，甚至是无水乙醇，这是很有困难的，因为乙醇极具挥发性，也极具溶解性，所以，想要得到高纯度的乙醇很困难。要想把低纯度的乙醇水溶液提升到高纯度，要用连续精馏的方法，因为乙醇和水的挥发度相差不大。精馏是多数分离过程，即同时进行多次部分汽化和部分冷凝的过程，因此可使混合液得到几乎完全的分离。化工厂中精馏操作是在直立圆形的精馏塔内进行的，塔内装有若干层塔板或充填一定高度的填料。为实现精馏分离操作，除精馏塔外，还必须从塔底引入上升蒸汽流和从塔顶引入下降液。可知，单有精馏塔还不能完成精馏操作

10、，还必须有塔底再沸器和塔顶冷凝器，有时还要配原料液预热器、回流液泵等附属设备，才能实现整个操作。1.2 精馏塔简介精馏塔是化工、石油化工和炼油等生产中最重要的设备之一，它可使气（或汽）液或液液两相之间进行紧密接触，达到两相间传质及传热的目的。可在精馏塔中完成的常见的单元操作有：精馏、吸收、解吸和萃取等。此外，工业气体的冷却与回收、气体的湿法净制和干燥，以及兼有气液两相传质和传热的增湿、减湿等。在化工厂、石油化工厂、炼油厂等中，精馏塔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，都有重大的影响。据有关资料报道，精馏塔的投资费用占整个工艺设备投资费用的较

11、大比例；它所耗用的钢材重量在各类工艺设备中也属较多。因此，精馏塔的设计和研究，受到化工、炼油等行业的极大重视。对于精馏塔开发而言，主要趋向于精馏塔内构件（主要表现为塔板）的发展，即针对特殊的生产要求、生产环境以及预定的开发目标，进行专门的设计和研究，传统的“普适性”塔内件技术应用越来越少，塔内件技术也必将由粗放型向精细化工的方向发展。国外主要发展方向为复合塔和并流塔板，复合塔包括单板复合与整塔复合，并流塔板包括汽液并流塔板、气气并流塔板和液液并流塔板。浮阀塔与20世纪50年代初期在工业上开始推广使用，由于它兼有泡罩塔和筛板塔的优点，已成为国内应用最广泛的塔型，特别是在石油、化学工业中使用最普遍

12、。浮阀有很多种形式，但最常用的形式是F1型和V-4型。F1型浮阀的结果简单、制造方便、节省材料、性能良好，广泛应用在化工及炼油生产中，现已列入部颁标准（JB168-68）内，F1型浮阀又分轻阀和重阀两种，但一般情况下都采用重阀，只有处理量大且要求压强降很低的系统中，才用轻阀。浮阀塔具有下列优点：1、生产能力大。2、操作弹性大。3、塔板效率高。4、气体压强降及液面落差较小。5、塔的造价低。浮阀塔不宜处理易结焦或黏度大的系统，但对于黏度稍大及有一般聚合现象的系统，浮阀塔也能正常操作。2 精馏塔的工艺计算2.1 装置流程图的确定精馏装置有精馏塔、原料预热器、再沸器、冷凝器、釜液冷却器等。热量自塔釜输

13、入，物料在塔内经多次部分汽化与部分冷凝进行精馏分离，由冷凝器和冷却器中的冷却介质将余热带走。在此过程中，热量利用率很低，为此，在确定流程时应考虑余热的利用，注意节能。乙醇溶液（原料）经预热器加热到指定温度后进入精馏塔的进料板，在进料板上与自塔上部下降的回来液体汇合，逐板溢流，最后流入塔底，在每层板上，回流液体与上升蒸汽互相接触，进行热和质的传递过程。操作时，连续从再沸器取出部分液体汽化，产生上升蒸汽，依次通过各层塔板，塔顶蒸汽进入冷凝器中北冷凝，并将部分冷凝液回流到塔顶作为回流液，其余部分经冷凝器后送出作为塔顶产品。塔釜采用间接蒸汽和再沸器共热，塔底产品经冷却后送入贮槽。乙醇精馏塔装置工艺流程

14、如附录附图1.2.2 乙醇和水的性能参数2.2.1 乙醇的性能参数表21 乙醇的性能参数类别温度（）表面张力液体粘度70809010011019.2718.2817.2916.2915.280.5230.4950.4060.3610.3242.2.2 水的性能参数表22 水的性能参数类别温度（）表面张力液体粘度70809010011065.663.861.960.058.041.436.232.128.226.42.2.3 乙醇水溶液沸点比热表表23 乙醇水溶液沸点比热数据质量分数%沸点（）比热（卡/克）潜热（卡/克）33.334.235.136.036.937.884.183.983.883

15、.783.583.41.0000.9960.9930.9900.9850.9824034003983953913882.2.4 乙醇的气液平衡数据表 24 乙醇的气液平衡数据温度液相x气相y温度液相x气相y10095589086785384183782300000190072100966012380166102337026080000170389104375047040508905445055808158077987977927814784178150327303965050790519805732067630747208943058260612206564065990684107385078

16、15089432.3 a、有效宽度B取大值故 b、有效高度 外侧有效高度确定取小值故：内侧有效高度确定取小值故：（4）多余金属面积a、筒体有效厚度取筒体多余金属面积b、接管多余金属面积接管计算厚度 接管多余金属面积：:c、接管焊缝区面积（焊角取6mm）d、多余金属总面积（5）所需另行补强面积（6）补强圈设计根据接管公称DN100选用补强圈标准取补强圈外径，内径（C型）。因，补强圈在有效补强范围内补强圈厚度为： 考虑干板负偏差并经圆整，补强圈的名义厚度为10mm。3.4.4 出料管的开孔补强选用内管的进料管，不另行补强的最大接管外径为。，所以可以不另行补强3.4.5 进气管的开孔补强选用内管的进

17、料管，不另行补强的最大接管外径为。，所以需要开孔补强，与塔顶蒸汽出口管相同。3.5 塔釜容积的确定塔釜在釜内停留时间为，设计釜液在釜内停留时间为计算。因提馏段，所以有内径为1400mm封头的容积，所以又因，所以筒高,取因进气管口下缘至液面距离不小于300mm，所以取。塔釜与塔体需用法兰连接，所以进气管口中心至法兰连接处距离。塔釜高度： （不包括封头）。3。3.6 法兰的选择3.6.1 筒体法兰的选择8塔底压强为：则操作压力为： 取根据公称压力和公称直径，查表选用公称压力，公称直径的甲型平焊法兰。3.6.2 接管法兰的选取根据公称压力和公称直径，查表选用公称压力，公称直径的板式平焊突面法兰。3.

18、7 塔顶空间的确定因塔顶空间高度的作用是提供安装塔板和除沫装置的需要，起减少雾沫夹带的作用。一般取，设计中取3.8 人孔的选取因塔径，人能够进入塔内进行维修，所以选择人孔。选取人孔两个。（1）补强及补强方法判断a、GB150规定允许不另行补强的最大接管外径为。人孔开孔外径等于458mm，故需另行考虑其补强。b、补强计算方法判别开孔直径 本筒体开孔直径，满足等面积补强计算的适用条件，故可用等面积补强法进行开孔补强计算。（2）开孔所需补强面积a、筒体的计算厚度由公式 得 对于碳素钢、低合金钢不小于3mm,所以计算厚度，取腐蚀裕量，筒体名义厚度：B、开孔所需补强面积强度削弱系数，所以出气管有效厚度为

19、开孔所需补强面积计算（3）有效补强面积a、有效宽度B取大值故 b、有效高度 外侧有效高度确定取小值故：内侧有效高度确定取小值故：（4）多余金属面积a、筒体有效厚度取筒体多余金属面积b、接管多余金属面积接管计算厚度：接管多余金属面积：:c、接管焊缝区面积（焊角取6mm）d、多余金属总面积（5）所需另行补强面积（6）补强圈设计根据开孔公称DN450选用补强圈标准取补强圈外径，内径（C型）。因，补强圈在有效补强范围内补强圈厚度为：考虑干板负偏差并经圆整，补强圈的名义厚度为10mm。3.9 裙座塔体常采用裙座支撑，裙座形式根据承受载荷，可分为圆筒形和圆锥行两类，圆筒形裙座制造方便，经济合理，故得到广泛

20、应用。本设计采用圆筒形裙座。裙座选用16MnR，裙座直接焊接在塔釜封头上，采用对焊焊缝，且使裙座的外圆与壳体相平。选取裙座高度为2.0m，裙座厚度为10mm.3.10 塔高的确定塔体高度： （312）塔顶空间高度：塔顶封头高度：因封头直边高度所以封头高度：塔釜高度：封头切线至裙座顶间距离h （313）塔釜封头直边高度：裙座高度：所以全塔高度H为：4 强度设计4.1 塔体的重量载荷塔设备的重量包括塔体、裙座提、内件、各种附件及保温层等重量。还包括在操作、停修或水压试验等不同工况时的物料或重量。4.1.1 设备壳体质量（含封头和裙座）封头质量：塔体质量和裙座质量： （41）所以设备壳体质量（含封头

21、和裙座）4.1.2 设备内构件质量查得塔盘重量为，由工艺计算知有22块塔板，则 （42）4.1.3 设备保温材料质量保温材料密度：4.1.4 设备平台质量4.1.5 操作时设备内物料质量塔板充液单位重载。为避免带液过多，釜中液面至最低塔板距离至少，设计中取。4.1.6 附属件质量人孔、接管、法兰等质量4.1.7 设备内充水质量设备操作时质量：设备的最大质量：设备的最小质量：4.2 塔体的强度校核4.2.1 筒体壁厚的计算筒体的内径，设计温度取操作温度，设计压力大于操作压力，取。焊缝系数（双面对接焊，100%无损探伤）。由设计规定中得在85时的许用应力则筒体壁厚：考虑壁厚附加量，去筒体壁厚。4.

22、2.2 塔的自振周期计算该塔为等界面且质量沿塔高均匀分布， 查得弹性模量，所以有： （43） （44）4.2.3 风弯矩计算塔设备可放入厂房内，所以风弯矩。4.2.4 地震弯矩计算查表得：当地震烈度为9级时，设备建在类场地时： （45）因且，故不考虑高振型影响。裙座与地基处截面的地震弯矩：（46）塔体与裙座焊接处（对焊）截面的弯矩： （47）4.2.5 筒体拉应力及稳定验算（1）设计压力产生的轴向拉应力 （48）（20）设备重量引起的压应力 （49）式中：去除裙座的质量（3）最大弯矩引起的轴向应力最大弯矩取。所以有 （410）（4） 最大组合应力组合拉应力组合压应力4.2.6 筒体水压试验的应

23、力验算（1）强度验算 （411）水压试验压力，塔壁材料的屈服强度，焊缝系数（2）稳定性校核故筒体强度验算安全。式中：水压试验时塔设备的最大质量，kg 塔顶截面处的风弯矩，4.3 裙座的强度设计4.3.1 裙座圈的计算筒体与裙座采用对接焊缝，所以有。取裙座与筒体壁厚相等，则。筒体用Q234C，裙座采用16Mn，则，（1）操作时的压应力验算 （412）故式中：裙座计算截面最大弯矩， 裙座圈计算截面的断面系数， 裙座圈计算截面的面积，（2）水压试验时的压应力验算4.3.2 地脚螺栓计算取基础环尺寸为：基础环外径： 基础环内径： 基础环的断面系数:基础环的面积：（1）求最大的应力因塔设备安装在厂房内，

24、所以风载荷受地震载荷时：取其中较大值（2）计算地脚螺栓的直径取地脚螺栓个数 （413）式中：地脚螺栓的许用应力，pa 腐蚀裕量，m、选用的螺栓即可。（3）基础环的计算a、基础环上的最大压应力操作时： 水压试验：取其中大值，故b、基础环厚度的计算基础环外缘长：在两个地脚螺栓间设两个筋板，其最大距离：查表得：， （414）取、中的较大值，故，考虑腐蚀裕量，取（5）对接焊缝的校核 （415）裙座焊缝安全。5 结论本设计通过工艺计算，初步确定了精馏塔的工艺结构尺寸，包括实际塔板数、塔高、塔径、溢流装置和塔板布置的情况等。然后再根据已得出的各种数据，进行了合理的结构设计，例如各种接管的选取、人孔、裙座塔

25、顶空间和塔釜空间的计算，同时还对开孔进行了开孔补强计算。最后对塔体进行了强度校核。该精馏塔塔高为11.7145米，塔径为1.4米，生产能力为4000千克每小时，最终将乙醇浓度由35%（质量分数，下同）提升到90%，从而达到精馏乙醇的目的。根据计算和校核得出的数据，进行装配图（1张）以及零件图（7张）的绘制，从而完成乙醇精馏塔的整体设计。参考文献1 路秀林，王者相.塔设备M.北京：化学工业出版社，2004.20495.2 贾绍义，柴诚敬.化工传质与分离过程（第二版）M.北京：化学工业出版社，2007.106-211.3 夏清，陈常贵.化工原理（下册）M.天津：天津大学出版社，2005.13190

26、.4 郑津洋，董其伍，桑芝富.过程设备设计（第三版）M.北京：化学工业出版社，2010.98314.5 GB1501998，钢制压力容器S.6 方书起.化工设备课程设计指导M.北京：化学工业出版社，2010.33156.7JB/T47362002，补强圈钢制压力容器用封头S.8 董大勤.化工设备机械基础（二版）M.北京：化学工业出版社1994.314500.致谢衷心地感谢青海大学四年来对我的培养，以及为我提供良好的学习环境，衷心地感谢化工学院四年的教育，衷心地感谢化工学院化工机械系的领导和老师们给我们孜孜不倦的教诲，使我在做人和学习中有了很大的提升，衷心地感谢毕业设计过程中老师们给予我的督促和热心的帮助。感谢本次设计中指导老师顾锡峰老师在我做设计期间，给予我很大的关心，督促和指导，帮助我解决了许多难题，并对我的设计提出了许多宝贵的建议，使我顺利地完成了本次的毕业设计任务。在此，由衷的向老师们说声谢谢!好的外在条件是事业成功的一半，本次设计中我的同学们也给予了我帮助和支持，使我顺利完成设计任务，也使我本来枯燥的设计工作进行的井而有序，在此，我也由衷的表示感谢。最后，再次对顾老师和我的同学们说声感谢！附录