《2.6万吨乙烯精馏塔设计毕业设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2.6万吨乙烯精馏塔设计毕业设计.doc（49页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、设计说明书题目： 2.6万吨/年乙烯精馏塔设计 院系： 机械工程学院_ _专业： 过程装备与控制工程专业_ 内容摘要塔设备是化工、石油等工业中广泛使用的重要生产设备。塔设备的基本功能在于提供气、液两相以充分接触的机会，使质、热两种传递过程能够迅速有效地进行；还要能使接触之后的气、液两相及时分开，互不夹带。塔设备主要应用在石油化工行业，其种类很多，比如有常压塔，加压塔及减压塔，还有按单元操作分有精馏塔，吸收塔，萃取塔，反应塔，填料塔，干燥塔等。本次设计的是2.6万吨乙烯精馏塔，在本次设计中主要包括三大方面的内容：一是工艺计算，二是强度及稳定性的计算，三是专题部分。第一部分主要进行了物料衡算，塔内
2、物件尺寸的确定，各种管径的确定，附属设备的选择等等。第二部分在强度及稳定性计算中，计算出塔器的各部分质量，对塔的三个危险截面进行校核，主要是质量载荷，风载荷和地震载荷的计算。还要进行补强的计算。 最后是专题部分，即吊柱的选用与校核。关键词：板式塔 精馏设备 填料塔AbstractTower equipment is the important production equipment that chemical industry , petroleum ,etc. used extensively in industry. The basic function of the tower equ
3、ipment lies in offering the angry , chance in order to be fully contacted of two phase of liquid , make the quality , two kinds of hot transmittance process can go on promptly and efficiently ; Can is it exposed to gas , liquid two phase after separate in time , carry each other secretly to make als
4、o. The tower equipment is applied to the trade of petrochemical industry mainly, there is a lot of its kind , for example there are atmospheric pressure towers, pressurize in the tower and reduce pressure in the tower, operate and divide rectifying tower according to the unit , absorb the tower, lie
5、 between and suck the tower, extract the tower , the reaction tower, dry tower ,etc.The one that designed is 2 this time. The rectifying tower of 60,000 tons of ethylene, design main content including three major respects in China this time: First, the craft is calculated, second, the calculation of
6、 the intensity and stability, third, thematic part. First part Be regarded as the weighing apparatus of the supplies mainly, the sureness of the size of the things in the tower, the sureness of different pipe diameters, choice of the accessory equipment ,etc. Second part In the intensity and stabili
7、ty are calculated , calculate out every part of quality of the tower device , check three dangerous sections of the tower, mainly quality load, the calculation with loaded wind load and earthquake. Mend strong calculation. It is a thematic part finally, namely hang the exertion and check of the post
8、. Keywords: Tray Tower Distilling Equipment Packed tower目录塔设备概述1第一部分：工艺计算3第一节 物料衡算31)塔顶产品量32)塔釜,塔顶流量及组成3第二节 确定塔温41）塔釜温度的确定42）塔顶温度的确定53）进料温度5第三节 塔板数的计算61） 确定最小回流比62）确定最小理论板数74）实际塔板数75）确定进料板位置8第四节 塔径计算81）精馏段塔径82）提馏段塔径12第五节 塔内物件的工艺尺寸12第六节 流体力学验算141）气体流过塔板的压降142)液泛校核153）沫夹夹带情况15第七节 安全操作范围和操作线161）精馏段162）
9、提馏段17第八节 附属设备的选择181）全凝器的选择182) 再沸器的选择193) 回流泵的选择19第九节 管径设计19第二部分 强度及稳定性计算21第一节 圆筒和封头的厚度和强度计算21第二节 载荷的计算211) 质量载荷的计算:212) 塔的自振周期233）地震载荷及地震弯矩的计算234）风载荷和风弯矩计算：255) 最大弯矩26第三节 应力校核271) 圆筒应力校核：272) 裙座壳轴向应力校核：28第四节 基础环结构设计及校核291） 基础环292）地脚螺栓计算：303）肋板计算：314）盖板计算：31第五节 补强计算321）塔顶蒸汽出孔322)人孔的补强计算333)进料管接管补强34
10、第三部分 吊柱的强度计算351）设计载荷352)曲杆部分的校核352）柱的校核37参考文献37附录 英文翻译39致 谢44塔设备概述塔设备是化工、石油等工业中广泛使用的重要生产设备。塔设备的基本功能在于提供气、液两相以充分接触的机会，使质、热两种传递过程能够迅速有效地进行；还要能使接触之后的气、液两相及时分开，互不夹带。因此，蒸馏和吸收操作可在同样的设备中进行。根据塔内气液接触部件的结构型式，塔设备可分为板式塔与填料塔两大类。板式塔内沿塔高装有若干层塔板(或称塔盘)，液体靠重力作用由顶部逐板流向塔底，并在各块板面上形成流动的液层；气体则靠压强差推动，由塔底向上依次穿过各塔板上的液层而流向塔顶。
11、气、液两相在塔内进行逐级接触，两相的组成沿塔高呈阶梯式变化。填料塔内装有各种形式的固体填充物，即填料。液相由塔顶喷淋装置分布于填料层上，靠重力作用沿填料表面流下；气相则在压强差推动下穿过填料的间隙，由塔的一端流向另一端。气、液在填料的润湿表面上进行接触，其组成沿塔高连续地变化。目前在工业生产中，当处理量大时多采用板式塔，而当处理量较小时多采用填料塔。蒸馏操作的规模往往较大，所需塔径常达一米以上，故采用板式塔较多；吸收操作的规模一般较小，故采用填料塔较多。 板式塔结构简图1气体出口2液体入口3塔壳4塔板5降液管6出口溢流偃7气体入口8液体出口浮阀塔板的结构原理浮阀塔板的结构特点是在塔板上开有若干
12、个阀孔，每个阀孔装有一个可上下浮动的阀片，阀片本身连有几个阀腿，插入阀孔后将阀腿底脚拨转90，以限制阀片升起的最大高度，并防止阀片被气体吹走。阀片周边冲出几个略向下弯的定距片，当气速很低时，由于定距片的作用，阀片与塔板呈点接触而坐落在阀孔上，在一定程度上可防止阀片与板面的粘结。操作时，由阀孔上升的气流经阀片与塔板间隙沿水平方向进入液层，增加了气液接触时间，浮阀开度随气体负荷而变，在低气量时，开度较小，气体仍能以足够的气速通过缝隙，避免过多的漏液；在高气量时，阀片自动浮起，开度增大，使气速不致过大。浮阀塔板的优点是结构简单、造价低，生产能力大，操作弹性大，塔板效率较高。其缺点是处理易结焦、高粘度
13、的物料时，阀片易与塔板粘结；在操作过程中有时会发生阀片脱落或卡死等现象，使塔板效率和操作弹性下降。 塔设备主要有三个参数作为其性能好坏的评价指标，即通量、分离效率和操作弹性。通量是指单位塔截面的生产能力，其表征塔设备的处理能力和允许的空塔气速。分离效率是指单位压力降的分离效果，板式塔以板效率表示，填料塔以等板高度表示。操作弹性即塔的适应能力，表现为对处理物料的适应性和对气液负荷波动的适应性。塔的通量大、分离效率高、操作弹性大，塔的性能就好。第一部分：工艺计算第一节 物料衡算1) 塔顶产品量按7200小时/年考虑，摩尔流量(C2H4): =128.74kmol/h2) 塔釜,塔顶流量及组成表1
14、进料各组分组成及性质组 分C2H4C2H6C3H6CH4沸 点-103.7-88.6 oC-47.7-161.5分子量28.0530.0742.0816.04组成0.889890.098430.005100.00658选择乙烯为轻关键组分，乙烷为重关键组分，比乙烯沸点低的甲烷是轻组分，比乙烷沸点高的丙烯是重组分，两关键组分挥发度相差较大，且两者是相邻组分，为清晰分割情况，比重关键组分还重的丙烯在塔顶不出现，比请关键组分还轻的甲烷在塔顶不出现。 这样塔顶馏出液由甲烷乙烯和少量乙烷组成。塔釜由丙烯乙烷和少量乙烯组成。 规定：塔顶乙烷含量，1说明此泡点温度过高。假定温度为-10OC=1.340.00
15、303+0.930.9474+0.280.04954=0.8991假定温度为-2OC=1.540.00303+1.240.9474+0.330.4954=1.00003所以：塔釜温度为-2OC2）塔顶温度的确定采用全凝器。 采用P-T-K图查出ki值计算 y=KX 塔顶温度=1假设露点温度为-20=+=0.9131试差法： -25+1=-24.05所以：塔顶温度为-24OC3）进料温度查P-T-K图，计算 y=KX=1假设泡点进料且温度为-20=1.340.88989+0.9270.09843+0.2670.0051+5.550.006581说明此进料温度过高假设进料温度为-23=1.010.
16、08989+0.6820.09843+0.1790.0051+5.050.00658=1.00006所以：进料温度为-23OC对塔的各部位温度列于下表中 表4 塔的温度列表 塔底塔顶进料-2-24-23第三节 塔板数的计算1）确定最小回流比假定塔内各组分的相对挥发度恒定，且为衡分子流，由恩德无德公式视差求。+=1-q （1）+=RM+1 （2）式中：XFA,XFB,XFC进料中A，B，C组分的分子分数； XPA，XPB，XPC塔顶组分A，B，C组分的分子分数； q 进料热状态参数。泡点进料，q=1;有关数据及 i列表如下： 表5组分C2H4C2H6C3H6CH4XF0.8840.098430.
17、00510.006581XP0.9920.00099900.00731KI1.010.6820.1795.05i1.4810.267.4将数据带入（1）式中：试取计算： =1.533 (1)式=0.07530 =1.35 (2)式=-0.0374 0内插法得=1。48，将带入（2）式，求的Rm,解得： Rm=2.2664取回流比R=1.5Rm=3.42）确定最小理论板数理论回流比可取为1.5 R=3.263）确定理论板数理论板层数由芬斯克方程求N N=31.256=0.3469查吉利兰图得=0.36 解得N=43.2 取44块（不包括再沸器）所以：理论塔板数为44块。4）实际塔板数E=0.49
18、（）塔顶，塔釜的平均温度 T=-13查烃类P-T-k图，得平衡常数： KC2H4=1.455, KC2H6=0.839相对挥发度为：=1.7432=0。889890。07+0。098430.07+0.00510.0051+0.006580.02=0.06999 解得E=0.822所以：实际板数N=44/0.882=53.5取55块5）确定进料板位置精馏段板数 n= （1）提留段板数 m= （2）m+n=54 （3）（注 为轻关键组分对重关键组分相对挥发度，取塔顶、进料、塔釜三处得几何平均值）（）=1.642（）=1.732则n=21.87 取22块则提留段板数为m=54-32=32第四节 塔径
19、计算1）精馏段塔径a) 气液相负合及重度精馏段以塔顶为计算基准，表6 塔顶各组分得临界性质列组分%（分子）P（kg/cm）P%（分子）TT%（分子）分子量MM%（分子）C2H40.99250.4830.076282.9280.628.0527.8C2H60.00099948.290.0482305.330530.070.07CH40.007345.790.334190.91.3910.040.117合计150.46282.327.947对比压力：=0.42对比温度：=0.882查得压缩系数Z=0.75塔顶上升蒸汽量：G=VD=（R+1）D=571kmol/h体积流量：=416.4立方米/小时塔
20、顶上升蒸汽重度： v =38.32kg/m3表7 进料各组分得临界性质组分%（分子）P（kg/cm）P%（分子）TT%（分子）分子量MM%（分子）C2H40889893048 44.922282.9251.7528.0524.96C2H60.0984348.294.75305.330.0530.072.96C3H60.005145.370.23364.91.8644.090.215CH40.0065845.790.3190.91.2616.040.11合计50.2284.9228.25对比压力：=0.418对比温度：=0.872查得压缩系数Z=0.691体积流量：=0.107M3/S精馏段气相
21、负合：=0.113M3/S表8 塔底各组分得临界性质组分%（分子）P（kg/cm）P%（分子）TT%（分子）分子量MM%（分子）C2H4000303504801532829085728050085C2H60987048564587305828963092845C3H600495645761908305.3281.425530.0727.7185CH4045.3719091604合计1457930833076对比压力：=0.436对比温度：=0.879查得压缩系数Z=0.70上升蒸汽量：G=VD=（R+1）D=（3.26+1）124.849=571公斤/小时体积流量：=422.9立方米/小时查轻
22、碳氢化合物数据手册 图2-15、2-17 得各组分重度； 表9 塔顶各组分重度组分C2H4C2H6C3H6CH4重度042504650表10 进料各组分重度组分C2H4C2H6C3H6CH4重度04210462054表11 塔釜各组分重度组分C2H4C2H6C3H6CH4重度03504270555塔顶各组分质量流量百分比： qDC2H4=0.928 qDC2H6=0.001 qDCH4=0.0042 解得 lD =0.4575塔底各组分质量流量百分比：QwC2H4=0.00276 qwC2H6=0.9363 qwCH4=0.0712解得lWw=0.4339则精馏段液相重度=445.5kg/m3
23、 液相负荷 = 26.95m3/h 动能参数=0.2236取板间距H=0.4m 塔板上清液层高度为=0.07m查史密斯关联图得C=0.05查轻碳化合物图4-1、4-2得表面张力表12 混合液的表面张力甲烷乙烯乙烷丙烯03.486.2113.6=0.99163.6+0.0016.2=3.46由式=（）得=0.0352塔顶最大空塔速度 Wmax=C=0.1136m/s空塔气速W=0.7W=0.70.1142=0.0795m/s精馏段塔径D=1.335m取精馏段塔径D=1.4m精馏段实际空塔气W=0.072m/s相应的空塔动能因数为F=0.072=5.62）提馏段塔径提馏段气象重度=V/Vs=43。
24、52提馏段液相重度=430。69提馏段液相负荷=0。1121m3/s则提馏段气相负荷：Ls=RD+qF=38.12m3/h查史密斯关联图得C=0.045查轻碳化合物图4-1、4-2得表面张力c2h4=1.21 Pc2h6=3.59 Pc3h6=10.49混合液的表面张力=3.925=0.0325最大空塔速度: Wmax=C=0。0969空塔气速：W=0.7W=0。0678m/s提馏段塔径D=1.45; 取塔径1。4m馏段实际空塔气W=0.073m/s第五节 塔内物件的工艺尺寸1）、溢流程数的选择根据塔径1.4米，液相负荷3040m 3/h，查有机化合物表9-5可知选单流型即可满足要求。采用工型
25、浆液板，分块式塔盘。2）、校核溢流强度堰长： lW=0.7D=0.71.4=0.98m。 精馏段校核：i=ls/lw=27.5m 3/h;提馏段校核：I=ls/lw=38.9 m 3/h;3)、塔堰高的确定Hl=hw+how hl塔板上清液层高度; hww 出口堰高度 how堰上清液层高度精馏段： how=0.03459提留段： how=0.0374)降液管面积查浮阀塔表3-3知=0.143 =0.0878塔板面积A=0.7851.4=1.54堰宽W=0.1431.4=0.2m溢流面积A=0.878 A=0.13855）校核液体在降液管内停留时间精馏段t=7.4s5s提馏段t=5.2s5s降液
26、管出口处的流体流速：精馏段： Ud=Ls/Af=0.054m/s;提馏段： Ud=ls/Af=0.77m/s6） 降液管下端距塔盘的距离h：h=w降液管下端出口处的流速一般取0.070.25m/s 可取0.2m/s精馏段ho=0.0382mh=0.07m提馏段ho=0.054h=0.07m取距离为：h=0,05m7）浮盘数采用F-1重阀, 阀孔直径为39。精馏段临界阀孔气速 ：=1.387m/s提馏段临界阀孔气速: =1.326m/s开孔率100%=5。2%阀孔总面积：精馏段： A=0。08m2提馏段: A=0.0847m2精馏段阀数: N=67个提馏段阀数: N=70个精馏段与提馏段取相同的
27、阀孔数：为68个。8)塔盘的布置安定区Wf=0.06m; 无效区Wc=0.05m按照等边三角形叉排列 则中心距t=105mm.第六节 流体力学验算1）气体流过塔板的压降正常操作，浮阀全开。干板压力降:hp=hc+hl+h全开前:hc=0.7=0.000685米液柱全开后hc=5.34=0.046米水柱hl=0.4hw+how=0.40.43+0.027=0.0442米水柱克服表面张力压降h可忽略hp=hl+ho=0.074米水柱2) 液泛校核逸流管内液成高度： Hd=hl+hp+hd+hvhd=0.153=0.042米液柱对hv可忽略不计，对浮阀塔可忽略不计又因操作压力小于30大气压hv可以忽
28、略，故溢流管内液层高度Hd=hl+hp+hd=0.144米取充气因子=0.5，（HT+hw）=0.5(0.4+0.0374)=0.2180.144所以可以避免液泛。3）雾沫夹夹带情况精馏段V=0.033立方米/秒提馏段V=0.0346立方米/秒Z=d-2Wd=1.4-20.2=1.0mAa=AT-2Af=1.54-20.135=1.27立方米K取0.85CF查基本有机化学工程图9-28可知CF=0.107则精馏段:F1=33.380%提馏段F1=38.3%80%所以产生的雾沫夹带量不超过0.1公斤液体/公斤蒸汽，符合要求。第七节 安全操作范围和操作线1）精馏段（1）液相负荷上限:取t=3秒 =
29、0.985立方米/秒液相负荷下限:因采用平直堰=0.0008540.98=0.000837立方米/秒气相负荷下限:=0.0632立方米/秒气相负荷上限液泛线A=3.83B=0.50.4+(0.5-1.4)0.043=0.1685C=99.57D=1.265所以液泛线为：3.83雾沫夹带线为： 9.88用计算机绘出个操作线如图1。操作弹性为：v上/v下=2。552）提馏段液相负荷上限:取t=3秒 =0。0185立方米/秒液相负荷下限:因采用平直堰=0。00837立方米/秒气相负荷下限:=0.0615立方米/秒气相负荷上限:液泛线A=4.3B=0.1685C=99.56D=1.2654.3所以雾沫
30、夹带线为得10.46用计算机绘出个操作线如图2。操作弹性为：v上/v下=2.76 图2: 提馏段操作线第八节 附属设备的选择1）全凝器的选择选用冷凝介质为-35液氨塔顶温度为-24，混合蒸汽的汽化热对全凝器进行热量恒算，以单位时间为基准并忽略热损失，所需传递的热量。 表12 成分甲烷乙烯乙烷含量0.00740.99160.001焓差（千卡/公斤）112-25150-75156-63Qc=VIVD-（LILD-DICD），V=L+D=（R+1）D，所以：Qc=（R+1）D（IVD-ILD）=213761kj/h2) 再沸器的选择 以再沸器为系统进行热量恒算，各成分的焓差 表13成分乙烯乙烷丙烯含
31、量0.030.94740.04954焓差（千卡/公斤）150-75158-80160-68QB=V/IVW+WILW-L/ILW+QL，QL为再沸器的热量损失，IVW为再沸器中上升蒸汽的焓，ILW为釜液的焓，提馏段底层板下降液的焓。QB=V/IVW+WILW-L/ILW+QL=19396kj/h 3) 回流泵的选择回流量L=RD=441 KMol/h，所以体积流量：Vs=27 m3/h。所以泵选择扬程为30m.第九节 管径设计1） 塔顶蒸汽管查表得蒸汽气速1220立方米/秒蒸汽量立方米/秒 D= 取v=15m/s 则得D=0.0918m 取 2196的管。公称直径为Dg200。2）回流管管径
32、因为回流泵所取2m/s =0。0756取=1084 公称直径为Dg100。3）进料管管径料液由高位大槽进入塔内WF取0。6m/s =0。075取 1086的管。公称直径为Dg100。4）塔釜出料管=0。0216取 764的管。公称直径为Dg65。5）进再沸器管=0。122m取 2196的管。公称直径为Dg200。6） 再沸器蒸汽入塔器 取速度为5m/s=0.055m 取 1946的管。公称直径为Dg175。第二部分 强度及稳定性计算 第一节 圆筒和封头的厚度和强度计算圆筒和封头材料选用16MnDR,许用应力=163mpa.圆筒计算厚度:=PcDi/（2t-Pc） 其中： Pc计算压力， Pc=
33、1.1P=1.3mpa； 焊接接头系数， 取1； 按GB709-65, 钢板厚度负偏差C1=1mm，腐蚀余量取1mm；=2.31.4/216381-0.3=9.95mm取钢板名义厚度n=12mm.封头厚度计算:标准椭圆封头K=1;= PcDi/（2t-0.5Pc）=9.91mm取钢板名义厚度n=12mm.实验压力校合：（1） 液压实验校合：Pt=1.25P/ t=1.25163=203第二节 载荷的计算1) 质量载荷的计算:H=530.4+40.3+1.6+2+1.5+3=30.1m塔壳和裙座的质量m01=/4（1.4+0.0152）2-1.42（27.8+3）7.85103=/4（1.430
34、2-1.42）30.87.85103=15721。人孔、法兰、接管等附件质量:ma=0.25 m01=2873。内构件质量m02=/41.425575=6235。（单位面积重75）保温层质量m03=/4(1.4+0.0122+0.2) 2-(1.4+0.0122)22745=582.平台、扶梯质量：m04=4030+/4(1.63+0.052+1.22) 2-(1.63+0.052)215061/2=1200+49681.1=3924.操作时塔内物料质量m05=/41.420.0745055=3670.充水质量mw=/41.42271000=38484.塔器的操作质量m0= m01+m02+m
35、03+m04+ m05+ma= 32765，塔内的最大操作质量mmax= m01+m02+m03+m04 +ma+ mw=47592塔内的最小操作质量mmin= m01+0.2m02+m03+m04 +ma=24107将塔沿高度分成5段，每段高为6m，其质量列入表14中。 图3 表14项目段号项目段号123456m01+ma143641436414364143641436414364m0245015951595159515951595m03366879880880880880m04150943943943943943m05150880880880880880mw1500924692469246
36、92469246m0140078417841784178417841mmax200011398113988063.91139811398mnin1000577757775777577778415777577757772) 塔的自振周期T1=90.33H（m0H/EeDi3）1/210-3 , 其中e=n-c=15-0.25-1.2=13.55mmT1=90.3330000（36789.530000/210513.5514003）1/210-3 =1.4s3）地震载荷及地震弯矩的计算表15： 地震力和地震弯距塔段号项目12345操作质量mi kg14007841784178417841集中质量距
37、地高度hi mm30009000150002100027000hi1.55224656994137mihi1.5727520710544681057371051074105mihi303781055471052541056931051410105 10A=mihi1.5 i=1 246410610 B=mihi3 i=124117107 k1=0.0530.2690.5810.961.4C0.5塔段号项目12345 1=(Tg/T)max 0.146Fk1= C1yk1mkg53.1510326253907860vmax=0.65max0.2952Meg=0.75Mo 24573.5Fv=gvmaxMeg70512.5Mihi4200695491.161051.621052.081055.603108527.68753
