精選資料PAGE可修改編輯第1章緒論塔設(shè)備在化工生產(chǎn)中的作用和地位塔設(shè)備是化工、煉油生產(chǎn)中最重要的設(shè)備之一。塔設(shè)備的設(shè)計和研究，已經(jīng)受到化工行業(yè)的極大重視。在化工生產(chǎn)中，塔設(shè)備的性能對于整個裝置的產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量、生產(chǎn)能力和消耗定額，以及三廢處理和環(huán)境保護等各個方面，都有非常重大的影響。精餾過程的實質(zhì)是利用混合物中各組分具有不同的揮發(fā)度。即在同一溫度下，各組分的飽和蒸汽壓不同這一性質(zhì)，使液相中的輕組分轉(zhuǎn)移到汽相中，汽相中的重組分轉(zhuǎn)移到液相中，從而達到分離的目的。因此精餾塔操作彈性的好壞直接關(guān)系到石油化工企業(yè)的經(jīng)濟效益。設(shè)計背景為了加強工業(yè)技術(shù)的競爭力，長期以來，各國都加大了塔的研究力度。如今在我國常用的板式塔中主要為泡罩塔、浮閥塔、篩板塔和舌型塔等。填料種類出拉西、環(huán)鮑爾環(huán)外，階梯環(huán)以及波紋填料、金屬絲網(wǎng)填料等規(guī)整填料也常采用。更加強了對篩板塔的研究，提出了斜空塔和浮動噴射塔等新塔型。同時我國還進口一些新型塔設(shè)備，這些設(shè)備的引進也帶動了我國自己的塔設(shè)備的科研、設(shè)計工作，加速了我國塔技術(shù)的開發(fā)。國外關(guān)于塔的研究如今已經(jīng)放慢了腳步，是因為已經(jīng)研究出了塔盤的效率并不取決與塔盤的結(jié)構(gòu)，而是主要取決與物系的性質(zhì)，如：揮發(fā)度、黏度、混合物的組分等。國外已經(jīng)轉(zhuǎn)向研究“在提高處理能力和簡化結(jié)構(gòu)的前提下，保持適當(dāng)?shù)牟僮鲝椥院蛪毫担⒈M量提高塔盤的效率。”在新型填料方面則在努力的研究發(fā)展有利于氣液分布均勻、高效和制造方便的填料。經(jīng)過我國這些年的努力，在塔研究方面與國外先進技術(shù)的差距正在不斷的減小。1.3設(shè)計條件進料量每小時11000公斤，原料中含苯40%（重量），以沸點狀態(tài)送入塔內(nèi)。要求塔頂餾出物含苯96%（重量），塔釜殘液中含苯不大于5%，操作回流比取最小回流比的2.5倍。1.4問題研究本設(shè)計是針對苯—甲苯的分離而專門設(shè)計的塔設(shè)備。根據(jù)設(shè)計條件以及給出的數(shù)據(jù)描述出塔溫度的分布，求得最小回流比以及塔頂?shù)南鄬]發(fā)度、塔釜的相對揮發(fā)度、全塔平均相對揮發(fā)度，又根據(jù)物料平衡公式分別計算出精餾段和提餾段的汽、液兩相的流量。之后，計算塔板數(shù)、塔徑等。根據(jù)這些計算結(jié)果進行了塔板結(jié)構(gòu)的設(shè)計等。計算和設(shè)計這些之后進行了有關(guān)的力學(xué)性能計算和一系列的校核。第2章塔的工藝計算塔溫的分布苯和甲苯的混合物是服從拉烏爾定律的理想溶液。在常壓下它們的蒸汽壓及汽液平衡數(shù)據(jù)，如下表所示：表一苯和甲苯的蒸汽壓及汽液平衡數(shù)據(jù)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由表一數(shù)據(jù)作如圖2-1等壓曲線（t-x圖）和圖2-2氣液平衡曲線（y-x圖）。將進料、塔頂和釜液的濃度以分子分?jǐn)?shù)表示為：1—汽相2—液相圖2-1苯-甲苯的等壓曲線根據(jù)圖2-1可確定它定、塔釜和進料溫度分別為：由于沸點進料（q=1），由圖2-1和圖2-2可得與進料液體相平衡的蒸汽組成，由式（3-53a）得最小回流比：塔頂?shù)南鄬]發(fā)度：塔釜的相對揮發(fā)度：則全塔的平均相對揮發(fā)度：圖2-2氣液平衡曲線2.2物料平衡則有：由上述方程式可求得：)操作回流比：1.精餾段液相流量：氣相流量：2.提餾段液相流量：氣相流量：2.3塔板數(shù)的計算2.3.1圖解法沸點進料（q=1）。q線方程為一垂線es，經(jīng)過a點作精餾段操作線，其截距為：再由b點作提餾段操作線，與精餾段操作線交于e點，連接be得提餾段操作線。在平衡線和操作線之間作階梯，得理論板數(shù)為11.7層，精餾段為5層，第6層為進料板。2.3.2差分方程法塔頂餾出物的平均分子量：塔頂餾出量：進料液的平均分子量：進料量：釜液的平均分子量：釜液量：1.精餾段：由下面公式可得:=-1.9精餾段操作線與平衡線交點的橫坐標(biāo)由下面公式求得：=0.187由于沸點進料q=1，所以得：由公式求得精餾段理論板數(shù)：=5.3（層）2.提餾段：由下面公式求得：=-1.339=-0.00867=0.662近似計算，取由公式，取提餾段理論塔板數(shù)（包括塔釜）：=6.14（層）則全塔理論板數(shù)為：N=5.3+6.14=11.44（層）精確計算：（1）取精餾段的理論板數(shù)為5層（2）按公式計算當(dāng)n=5時公式變?yōu)橄旅嫘问剑嚎汕蟮茫海?）由公式求得：=0.46（4）由公式求得提餾段的理論塔板數(shù)：=6.35（層）精確計算的理論板數(shù)（全塔包括塔釜）為5+6.35=11.35（層），與M、T圖解法結(jié)果基本一致。利用差分方程式法可以不必經(jīng)過逐板計算而直接求得每層塔板上的液體組成。將相應(yīng)的已知數(shù)值帶入精餾段和提餾段方程式，簡化后可得如下方程式：精餾段：提餾段：計算結(jié)果列入下表：每層塔板上的液體組成塔板序號n1234567891011X0.9170.8380.7430.6180.4890.3760.2720.1680.1010.0600.0374取全塔理論板數(shù)為11層，扣除塔釜一層，則理論板數(shù)為10層。現(xiàn)取全塔效率為７５％，則實際板數(shù)為：取14（層）精餾段的實際板數(shù)為：（層）（層）提餾段的實際板數(shù)為：（層）第８層塔板為加料板。2.4熱量平衡2.4.1塔頂蒸汽帶出的熱量2.4.2釜液帶出的熱量2.4.3料帶入的熱量2.4.4回流帶入的熱量2.4.5塔釜加熱蒸汽帶入的熱量2.4.6熱量損失設(shè)熱量損失為１０％，則塔的熱量平衡2.5塔徑計算2.5.1精餾段液體重度：蒸汽重度：液體的體力流量：蒸汽的體積流量：取板間距，板上清液層高度為，則分離空間。查負(fù)荷系數(shù)圖得：C=0.075苯在時的表面張力為由公式可求得：由公式可求得最大允許空塔速度為：適宜空塔速度：塔徑由公式求得：2.5.2提餾段液體重度：汽相重度：液體的體積流量：蒸汽的體積流量：取；；查負(fù)荷系數(shù)圖得：甲苯在時的表面張力為由公式求得：由公式求得最大允許空塔速度為：適宜的空塔速度：塔徑公式求得：根據(jù)計算，精餾段和提餾段塔徑選用D=1.7(米)，此時兩段的實際空塔速度為：相應(yīng)的空塔動能因數(shù)為：均屬正常操作范圍。2.6塔板結(jié)構(gòu)根據(jù)塔徑和液體的流量，選用弓形降液管，塔板采用電流程和分塊式組裝。2.6.1降液裝置1.偃長取2.偃高由公式求得（1）精餾段=53.5（毫米）（2）提餾段=46（毫米）上下兩段偃高均選用50毫米3.降液管面積當(dāng)時，由查表得：塔的相對操作面積為：4.液體在降液管中的停留時間由公式求各段的停留時間：（1）精餾段（2）提餾段5.降液管下端與下層塔板間的距離精餾段和提餾段降液管下端與塔板間出口處的液體流速分別取由公式可求得（1）精餾段（2）提餾段上下兩段均選用2.6.2浮閥的布置選用十字架型圓盤浮閥，閥徑為50毫米，閥重30～32克，塔板上孔徑為40毫米，最大開度8毫米。1.閥孔速度由公式求閥孔的臨界速度（或選定適宜的閥孔動能因數(shù)，求出閥孔速度）。（1）精餾段（米/秒）（2）提餾段（米/秒）上下兩段相應(yīng)的閥孔動能因數(shù)為：均屬正常操作范圍。2.開孔率由公式求得：（1）精餾段（2）提餾段考慮到塔板加工方面起見，上下兩段的開孔率均采用。3.閥孔總面積由公式求得：4.浮閥總數(shù)由公式求得：取整為219（個）5.塔板上布置浮閥的有效操作面積已知取；由公式可求：=0576（米）由公式可得塔板上布置浮閥的有效操作面積為：=1.53（）塔板有效操作面積為：6.浮閥的排列浮閥采取等腰三角形叉排排列。設(shè)垂直于液流方向的閥孔中心間距為t，與此相應(yīng)的每排浮閥中心線之間距離，由公式求得：取t=90(毫米)。2.7流體力學(xué)計算2.7.1塔板壓力降1.精餾段（1）干板壓力降由公式得：（2）克服液體表面張力的壓力降由公式得：（3）通過泡沫層的壓力降由公式得：=36.5（毫米液柱）取泡沫層比重為0.4，則（毫米液柱）塔板的總壓力降：以液柱表示：2.提餾段（1）干板壓力降由公式得：=25.8（毫米水柱）=33（毫米液柱）（2）克服液體表面張力的壓力降由公式得：=0.47（毫米水柱）=0.6（毫米液柱）（3）通過泡沫層的壓力降由公式得：=44.2（毫米液柱）=35.5（毫米水柱）塔板的總壓力降2.7.2霧沫夾帶量已知，所以，1.精餾段由精餾段公式可以求的得：=0.69（公斤液/公斤汽）〈10%2.提餾段由上面公式求得：（公斤液/公斤汽）〈10%2.7.3溢流狀況的計算根據(jù)公式驗算降液管內(nèi)清液層的高度。1.精餾段降液管下端出口處液體的流速及液柱高度為：取0.2則（毫米液柱）所以，=141（毫米液柱）2.提餾段方法同上：所以可求：=155.92（毫米液柱）由于及均小于，所以不會產(chǎn)生液泛。2.7.4負(fù)荷上下限1.霧沫夾帶量控制計算設(shè)霧沫夾帶量為e=10%，并以提餾段計：可求出2.以淹塔控制計算取為簡化計算起見，忽略液體負(fù)荷變動所產(chǎn)生的影響，以提餾段計：所以，所以，由此可知，該塔為淹塔所控制。則：

第3章塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1塔頂3.1.1塔頂空間塔頂空間一般取=1.2～1.5米，在此，我們?nèi)∷斂臻g為=1.5米。3.1.2塔頂蒸汽出口取管內(nèi)蒸汽流速，=0.977則塔頂蒸汽管直徑：塔頂蒸汽管尺寸為的標(biāo)準(zhǔn)管。選用法蘭為，帶頸平焊鋼質(zhì)管法蘭（HG20594-97）。3.2人孔選擇DN450mm人孔，其中人孔處塔板間距為600mm，人孔數(shù)一共5個，位置分別為：人孔1位于1塔板上，人孔2位于4，5塔板之間，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塔底空間取停留時間為5分鐘，而已知，，而在此取。3.3.2塔底出口可公式求得釜液出口直徑：取釜液出口管尺寸為：的標(biāo)準(zhǔn)管。法蘭為的帶頸平焊鋼制管法蘭（HG20594-97）。3.4進口3.4.1塔頂回流進口回流液由泵輸送時，速度可取1.5～2.5（米/秒）。由公式求得塔頂回流進口管直徑：取塔頂回流進口管尺寸為：的標(biāo)準(zhǔn)管。法蘭為，帶頸平焊鋼制管法蘭（HG20594-97）。3.4.2原料進口料液由泵輸送時可取1.5～2.5（米/秒），現(xiàn)取=1.5由公式得進料管管徑：=0.057取原料進口管管徑為：80的標(biāo)準(zhǔn)管。法蘭為，帶頸平焊鋼制管法蘭（HG20594-97）。3.5裙座3.5.1裙座的形狀為了制作的方便，裙座我們選用圓筒形裙座。3.5.2裙座與塔殼的連接裙座與塔殼的連接采用對接接頭形式。3.5.3排氣孔或排氣管查表得出結(jié)構(gòu)尺寸為：76mm,數(shù)量為4個.排氣孔的中心線距離裙座頂端的尺寸為H=180mm3.5.4人孔DN450，位置H=900，數(shù)量一個。開設(shè)人孔的目的是為了方便檢修。3.6塔盤3.6.1塔盤類型為了方便在塔的內(nèi)部進行拆裝工作，因此我們選用分塊式塔盤。3.6.2塔盤板形狀選用矩形塔板3.6.3支持圈和支持板的尺寸支持圈寬度為40mm，支持板寬度為40mm，材料為碳鋼，厚度為63.6.4塔盤分塊結(jié)構(gòu)如下圖：塔盤分塊結(jié)構(gòu)第4章強度校核設(shè)計條件：地區(qū)的基本風(fēng)壓值、地震設(shè)防烈度<=6級、塔內(nèi)裝有14層浮閥塔盤、每塊塔盤存留的介質(zhì)高為70mm、介質(zhì)密度為800公斤/立方米，塔殼外表面保溫層厚度為100mm、保溫層材料密度為300公斤/立方米、塔上每隔6m安裝一層操作平臺、寬1m操作平臺共2層、單位質(zhì)量為100公斤/平方米,包角為180度。塔內(nèi)設(shè)計壓力為0.1MPa設(shè)計溫度為150、塔殼厚度附加量為3mm、裙座厚度附加量為2mm。裙座高為3m；焊縫系數(shù)取0.9；塔全高為13540mm4.1塔殼厚度計算塔體材料選用20R、設(shè)計條件下的許用應(yīng)力為：。圓筒厚度為：=0。175（毫米）封頭厚度為：=0.176(毫米)選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，所以K=1,因為鋼板最小厚度不得小于4毫米，所以取圓筒和封頭的厚度為4毫米加上厚度附加量3毫米等于7毫米。最后取厚度為8毫米的標(biāo)準(zhǔn)鋼板。4.2質(zhì)量載荷計算4.2.1塔殼及裙座質(zhì)量=4560.3（千克）4.2.2人孔、法蘭和接管附件等的質(zhì)量（千克）4.2.3塔內(nèi)構(gòu)件的質(zhì)量（千克）4.2.4保溫層質(zhì)量=1803（千克）4.2.5平臺扶梯質(zhì)量=989.86（千克）4.2.6操作時塔內(nèi)物料質(zhì)量=1046.2（千克）4.2.7充水質(zhì)量（千克）4.2.8塔器的操作質(zhì)量=4560.3+1401.22+1803+989.86+1046.2+1140=10940.58（千克）4.2.9塔器的最大質(zhì)量=4560.3+1401.22+1803+989.86+1140+23911.5=33805.88（千克）4.2.10塔器的最小質(zhì)量=4560.3+1401.22+1803+989.86+1140=9894.38（千克）塔的自震周期計算=0.47（s）地震載荷及地震彎矩的計算由于設(shè)計條件中規(guī)定地震裂度為小于等于6級，所以在此地震載荷及地震彎矩均可忽略不計。4.5風(fēng)載荷和風(fēng)彎矩計算4.5.1風(fēng)載荷計算內(nèi)容計算結(jié)果第一段第二段第三段塔段長度m0-55-1010-13.54基本風(fēng)壓值450動載荷系數(shù)0.7扶梯當(dāng)量寬度400保溫層厚度100管線保溫層厚度mm100操作平臺當(dāng)量寬度600風(fēng)壓高度變化系數(shù)0.81.01.14各計算段的外徑mm1716各計算段的有效直徑2716各計算段的風(fēng)振系數(shù)當(dāng)塔高小于20m時，取各計算段長度mm500050005000各計算段水平風(fēng)力N5817.677272.098290.184.5.2風(fēng)彎矩各段截面的風(fēng)彎矩：0-0截面的風(fēng)彎矩：=N1-1截面的風(fēng)彎矩：=N2-2截面的風(fēng)彎矩：=N4.6最大彎矩最大彎矩根據(jù)下面公式計算，并取其中最大者：計算結(jié)果如下：0-0截面：N.mm1-1截面：N.mm2-2截面：N.mm4.7圓筒應(yīng)力校核驗算塔殼2-2截面處操作時和壓力試驗時的強度和穩(wěn)定性。計算結(jié)果見下表：4.7.1塔操作時的應(yīng)力校核：計算截面2-2截面以上的塔的操作質(zhì)量9870.7Kg計算截面的橫截面積2478塔殼的有效厚度8mm截面的截面系數(shù)最大彎矩MPa許用軸向壓應(yīng)力132許用軸向拉應(yīng)力142．56操作壓力引起的軸向拉應(yīng)力5.3MPa重力引起的軸向應(yīng)力MPa1.64MPa彎矩引起的軸向應(yīng)力2.66MPa軸向壓應(yīng)力1.64+2.66=4.3〈132MPa組合拉應(yīng)力5.3-1.64+2.66=6.23〈142.56MPa結(jié)論：根據(jù)結(jié)果可知塔操作時圓筒穩(wěn)定。4.7.2壓力實驗時的應(yīng)力校核0.2304MPa液壓試驗時截面上的塔的質(zhì)量28700許用軸向壓應(yīng)力132MPa許用周向應(yīng)力198．45MPa許用軸向拉力238．1MPa實驗壓力引起的周向應(yīng)力=24.7〈198.45MPa壓力引起的軸向應(yīng)力12.24MPa重力引起的軸向應(yīng)力MPa6.59MPa彎矩引起的軸向應(yīng)力0.79MPa軸向壓應(yīng)力6.59+0.79=7.38〈132MPa組合拉應(yīng)力12.24-6.54+0.79=6.49〈198.45MPa結(jié)論：根據(jù)結(jié)果可知道壓力實驗時圓筒穩(wěn)定。4.8裙座殼軸向應(yīng)力校核裙座材料選用：Q235-A、采用對接焊縫、由于是圓筒形裙座，所以。為了方便選材壁厚S=8mm、裙座材料的許用應(yīng)力=127×、查表知B=70×4.8.1操作時的壓應(yīng)力計算由于=所以，操作時的壓力校核合格。4.8.2水壓實驗時的壓應(yīng)力計算=所以，水壓實驗時的壓力校核合格4.9基礎(chǔ)環(huán)的計算由于裙座內(nèi)徑為：所以取基礎(chǔ)環(huán)尺寸為：外徑：=1700+300=2000mm內(nèi)徑：=1700-300=1400mm基礎(chǔ)環(huán)截面面積：==1.60基礎(chǔ)環(huán)截面系數(shù)為：Z==5.965=1489.7N.m=1012.4N.m基礎(chǔ)環(huán)厚度為：=0.0082（米）其中為、二者中較大的者。由于基礎(chǔ)環(huán)厚度不應(yīng)過小，所以在此我們?nèi)?18mm4.10地腳螺栓計算4.10由于最小質(zhì)量Mmin=9573.8Kg、風(fēng)彎距=1.47N.mm；以及偏心距所以最大拉應(yīng)力：==0.33MPa4.10.2計算地腳螺栓直徑首先，選擇出螺栓的個數(shù)為32個、螺栓材料的許用應(yīng)力為=132MPa、腐蝕裕量C=3mm。那么，地腳螺栓的直徑為：=15.6mm所以，選擇32個M24的地腳螺栓就可以滿足要求。4.11對接焊縫校核有效厚度=8mm,=1700mm,最大彎距=N.mm操作時的全塔質(zhì)量千克，許用應(yīng)力=那么==5.5888=0.9132=118.8由于5.5888<=118.8,所以對接焊縫滿足強度要求。結(jié)論：本設(shè)計主要從三個方面①塔的工藝計算②結(jié)構(gòu)設(shè)計③強度校核，設(shè)計了苯—甲苯常壓精餾塔。在工藝計算方面我主要是根據(jù)原料的基本參數(shù)對物料衡算、熱量衡算、塔板數(shù)計算、塔板結(jié)構(gòu)設(shè)計、水力學(xué)計算等方面進行計算和設(shè)計，其中對重點的塔板數(shù)、塔板結(jié)構(gòu)進行了詳細(xì)的分析。塔的工藝計算的直接關(guān)系到整個設(shè)計的成與敗。在結(jié)構(gòu)設(shè)計部分對裙座、人孔、一些重要的接管及塔的內(nèi)件的位置進行了設(shè)計，同時還對一些焊接結(jié)構(gòu)進行了說明。強度校核部分是本次設(shè)計的最后一部分，在這部分當(dāng)中對塔的自振周期、風(fēng)載荷、風(fēng)彎矩、地腳螺栓、基礎(chǔ)環(huán)進行了設(shè)計和計算，并且對殼體強度，圓筒應(yīng)力，焊接焊縫等幾個環(huán)節(jié)進行了校核。由于能力以及實踐還有許多不足，所以在整個設(shè)計過程中，難免有些不成熟和欠妥之處，希望老師能夠批評指正。參考文獻1、北京化工研究院“板式塔”專題組編《浮閥塔》燃料化學(xué)工業(yè)出版社出版1975年2、化工設(shè)備設(shè)計全書編輯委員會編《塔設(shè)備設(shè)計》上海科學(xué)技術(shù)出版社出版1998年3、路秀林、王者相編《