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1、第1章绪论1.1塔设备在化工生产中的作用和地位塔设备是化工、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。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。因此精馏塔操作弹性的好坏直接关系到石油化工企业的经济效益。1.2设计背景为了加强工业技术的竞争力，长期以来，各国都加大了塔的研究力度。如今在我国常用的板式塔
2、中主要为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔和舌型塔等。填料种类出拉西、环鲍尔环外，阶梯环以及波纹填料、金属丝网填料等规整填料也常采用。更加强了对筛板塔的研究，提出了斜空塔和浮动喷射塔等新塔型。同时我国还进口一些新型塔设备，这些设备的引进也带动了我国自己的塔设备的科研、设计工作，加速了我国塔技术的开发。国外关于塔的研究如今已经放慢了脚步，是因为已经研究出了塔盘的效率并不取决与塔盘的结构，而是主要取决与物系的性质，如：挥发度、黏度、混合物的组分等。国外已经转向研究“在提高处理能力和简化结构的前提下，保持适当的操作弹性和压力降，并尽量提高塔盘的效率。”在新型填料方面则在努力的研究发展有利于气液分布均匀、高效和制
3、造方便的填料。经过我国这些年的努力，在塔研究方面与国外先进技术的差距正在不断的减小。1.3 设计条件进料量每小时 11000 公斤，原料中含苯 40%<重量），以沸点状态送入塔内。要求塔顶馏出物含苯 96%<重量），塔釜残液中含苯不大于 5%，操作回流比取最小回流比的 2.5 倍。1.4问题研究本设计是针对苯甲苯的分离而专门设计的塔设备。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、液两相的流量。之后，计算塔板数、塔径等。根据这些计算结果进行了塔板结构的设计等。
4、计算和设计这些之后进行了有关的力学性能计算和一系列的校核。第 2 章塔的工艺计算2.1塔温的分布苯和甲苯的混合物是服从拉乌尔定律的理想溶液。在常压下它们的蒸汽压及汽液平衡数据，如下表所示：表一苯和甲苯的蒸汽压及汽液平衡数据80.027603001.0001.00084.08503330.8230.92288.0957379.50.6590.83092.010784320.5080.72096.01204492.50.3760.596100.013445590.2560.453104.014956250.1550.304108.01659704.50.0580.128114.0174876000
5、由表一数据作如图2-1 等压曲线 <t-x 图）和图 2-2 气液平衡曲线 <y-x 图）。将进料、塔顶和釜液的浓度以分子分数表示为：1汽相2 液相图 2-1 苯 - 甲苯的等压曲线根据图 2-1 可确定它定、塔釜和进料温度分别为：由于沸点进料 <q=1），由图 2-1 和图 2-2 可得与进料液体相平衡的蒸汽组成，由式 <3-53a）得最小回流比：塔顶的相对挥发度：塔釜的相对挥发度：则全塔的平均相对挥发度：图 2-2气液平衡曲线2.2 物料平衡则有：由上述方程式可求得：>操作回流比：1. 精馏段液相流量：气相流量：2. 提馏段液相流量：气相流量：2.3 塔板数的
6、计算2.3.1 图解法沸点进料 <q=1）。 q 线方程为一垂线es，经过 a 点作精馏段操作线，其截距为：再由 b 点作提馏段操作线，与精馏段操作线交于在平衡线和操作线之间作阶梯，得理论板数为e 点，连接 be 得提馏段操作线。11.7 层，精馏段为5 层，第6 层为进料板。2.3.2 差分方程法塔顶馏出物的平均分子量：塔顶馏出量：进料液的平均分子量：进料量：釜液的平均分子量：釜液量：1. 精馏段：由下面公式可得 :=-1.9精馏段操作线与平衡线交点的横坐标由下面公式求得：=0.187由于沸点进料 q=1，所以得：由公式求得精馏段理论板数：=5.3< 层）2. 提馏段：由下面公式
7、求得：=-1.339=-0.00867=0.662近似计算，取由公式，取提馏段理论塔板数<包括塔釜）：=6.14< 层）则全塔理论板数为：N=5.3+6.14=11.44< 层）精确计算：<1）取精馏段的理论板数为5 层<2）按公式计算当 n=5 时 公式变为下面形式：可求得：<3）由公式求得：=0.46<4）由公式求得提馏段的理论塔板数：=6.35< 层）精确计算的理论板数 <全塔包括塔釜）为5+6.35=11.35< 层），与 M、T 图解法结果基本一致。利用差分方程式法可以不必经过逐板计算而直接求得每层塔板上的液体组成。将相应的
8、已知数值带入精馏段和提馏段方程式，简化后可得如下方程式：精馏段：提馏段：计算结果列入下表：每层塔板上的液体组成塔 板n序号1234567891011X0.9170.8380.7430.6180.4890.3760.2720.1680.1010.0600.0374取全塔理论板数为11 层，扣除塔釜一层，则理论板数为10 层。现取全塔效率为，则实际板数为：取 14<层）精馏段的实际板数为：<层）<层）提馏段的实际板数为：<层）第层塔板为加料板。2.4 热量平衡2.4.1 塔顶蒸汽带出的热量2.4.2 釜液带出的热量2.4.3 料带入的热量2.4.4 回流带入的热量2.4.5
9、 塔釜加热蒸汽带入的热量2.4.6 热量损失设热量损失为，则塔的热量平衡2.5 塔径计算2.5.1 精馏段液体重度：蒸汽重度：液体的体力流量：蒸汽的体积流量：取板间距则分离空间，板上清液层高度为。，查负荷系数图得：C=0.075苯在时的表面张力为由公式可求得：由公式可求得最大允许空塔速度为：适宜空塔速度：塔径由公式求得：2.5.2 提馏段液体重度：汽相重度：液体的体积流量：蒸汽的体积流量：取；查负荷系数图得：甲苯在由公式时的表面张力为求得：由公式求得最大允许空塔速度为：适宜的空塔速度：塔径公式求得：根据计算，精馏段和提馏段塔径选用 D=1.7(M>，此时两段的实际空塔速度为：相应的空塔动
10、能因数为：均属正常操作范围。2.6 塔板结构根据塔径和液体的流量，选用弓形降液管，塔板采用电流程和分块式组装。2.6.1降液装置1. 偃长取2. 偃高由公式求得<1）精馏段=53.5< 毫 M）<2）提馏段=46<毫 M）上下两段偃高均选用50 毫 M。3. 降液管面积当时，由查表得：塔的相对操作面积为：4. 液体在降液管中的停留时间由公式求各段的停留时间：<1）精馏段<2）提馏段5. 降液管下端与下层塔板间的距离精馏段和提馏段降液管下端与塔板间出口处的液体流速分别取由公式可求得<1）精馏段<2）提馏段上下两段均选用2.6.2 浮阀的布置选用十字
11、架型圆盘浮阀，阀径为 50 毫 M，阀重 30 32 克，塔板上孔径为 40 毫 M，最大开度 8毫M。1. 阀孔速度由公式求阀孔的临界速度 <或选定适宜的阀孔动能因数，求出阀孔速度）。<1）精馏段<M/秒）<2）提馏段<M/秒）上下两段相应的阀孔动能因数为：均属正常操作范围。2. 开孔率由公式求得：<1）精馏段<2）提馏段考虑到塔板加工方面起见，上下两段的开孔率均采用。3. 阀孔总面积由公式求得：4. 浮阀总数由公式求得：取整为 219<个）5. 塔板上布置浮阀的有效操作面积已知取；由公式可求：=0576<M）由公式可得塔板上布置浮阀的有
12、效操作面积为：=1.53 <）塔板有效操作面积为：6. 浮阀的排列浮阀采取等腰三角形叉排排列。设垂直于液流方向的阀孔中心间距为t ，与此相应的每排浮阀中心线之间距离，由公式求得：取 t=90( 毫 M>。2.7 流体力学计算2.7.1 塔板压力降1. 精馏段<1）干板压力降由公式得：<2）克服液体表面张力的压力降由公式得：<3）通过泡沫层的压力降由公式得：=36.5 < 毫 M液柱）取泡沫层比重为 0.4 ，则< 毫 M液柱）塔板的总压力降：以液柱表示：2. 提馏段<1）干板压力降由公式得：=25.8 < 毫 M水柱） = 33< 毫
13、 M液柱）<2）克服液体表面张力的压力降由公式得：=0.47< 毫 M水柱） =0.6< 毫 M液柱）<3）通过泡沫层的压力降由公式得：=44.2< 毫 M液柱） =35.5< 毫 M水柱）塔板的总压力降2.7.2 雾沫夹带量已知，所以，1. 精馏段由精馏段公式可以求的得：=0.69<公斤液 / 公斤汽） 10%2. 提馏段由上面公式求得：< 公斤液 / 公斤汽） 10%2.7.3 溢流状况的计算根据公式验算降液管内清液层的高度。1. 精馏段降液管下端出口处液体的流速及液柱高度为：取 0.2则<毫 M液柱）所以，=141<毫 M液柱）
14、2. 提馏段方法同上：所以可求：=155.92 <毫 M液柱）由于及均小于，所以不会产生液泛。2.7.4 负荷上下限1. 雾沫夹带量控制计算设雾沫夹带量为 e=10%，并以提馏段计：可求出2. 以淹塔控制计算取为简化计算起见，忽略液体负荷变动所产生的影响，以提馏段计：所以，所以，由此可知，该塔为淹塔所控制。则：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=1.2 1.5M，在此，我们取塔顶空间为=1.5M。3.1.2 塔顶蒸汽出口取管内蒸汽流速， =0.977则塔顶蒸汽管直径：塔顶蒸汽管尺寸为的标准管。选用法兰为，带颈平焊钢质管法兰<HG20594-97）
15、。3.2 人孔选择 DN450mm人孔，其中人孔处塔板间距为 600mm，人孔数一共 5 个，位置分别为：人孔 1 位于 1 塔板上，人孔 2 位于 4， 5 塔板之间，人孔 3 位于加料板 8 下，人孔 4 位于 12 塔板下，人孔 5 位于 14 塔板下。3.3 塔底3.3.1 塔底空间取停留时间为 5 分钟，而已知，而在此取。3.3.2 塔底出口可公式求得釜液出口直径：取釜液出口管尺寸为：的标准管。法兰为的带颈平焊钢制管法兰 <HG20594-97）。3.4 进口3.4.1 塔顶回流进口回流液由泵输送时，速度可取 1.5 2.5<M/ 秒）。由公式求得塔顶回流进口管直径：取塔
16、顶回流进口管尺寸为：的标准管。法兰为，带颈平焊钢制管法兰 <HG20594-97）。3.4.2 原料进口料液由泵输送时可取 1.5 2.5<M/ 秒），现取=1.5由公式得进料管管径：=0.057取原料进口管管径为：80的标准管。法兰为，带颈平焊钢制管法兰 <HG20594-97）。3.5 裙座3.5.1 裙座的形状为了制作的方便，裙座我们选用圆筒形裙座。3.5.2 裙座与塔壳的连接裙座与塔壳的连接 采用对接接头形式。3.5.3 排气孔或排气管查表得出结构尺寸为：76 mm , 数量为 4 个.排气孔的中心线距离裙座顶端的尺寸为H=180mm3.5.4 人孔DN450 ，位置
17、 H=900 ， 数量一个。开设人孔的目的是为了方便检修。3.6 塔盘3.6.1 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。3.6.2 塔盘板形状选用矩形塔板3.6.3 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6mm3.6.4 塔盘分块结构如下图：塔盘分块结构第 4 章强度校核设计条件：地区的基本风压值、地震设防烈度 <=6 级、塔内装有14 层浮阀塔盘、每块塔盘存留的介质高为 70mm、介质密度为 800 公斤/ 立方 M，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 M、塔上每隔 6m
18、安装一层操作平台、宽 1m操作平台共 2 层、单位质量为 100 公斤 / 平方 M,包角为 180 度。塔内设计压力为 0.1MPa 设计温度为 150 、塔壳厚度附加量为 3mm、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 13540mm。4.1 塔壳厚度计算塔体材料选用 20R、设计条件下的许用应力为：。圆筒厚度为：=0。 175 < 毫 M）封头厚度为：=0.176 (毫M>选用标准椭圆形封头，所以因为钢板最小厚度不得小于毫 M等于 7 毫 M。最后取厚度为K=1,4 毫 M，所以取圆筒和封头的厚度为8 毫 M的标准钢板。4 毫M加上厚度附加量34.2 质量载荷计算4.2.1 塔壳及裙座质量