年产8万吨苯-甲苯筛板精馏塔设计（全套含CAD图纸）
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第 1 页 共 90 页 摘要： 在化工、炼油、医药、食品及环境保护等工业部门，塔设备是一种重要的单元操作设备。 塔器即是高径比很大的设备。 它可以实现气（汽） 液相之间的充分接触，从而达到相际间进行传质及传热的目的。 常见的 、 可在塔设备中完成的单元操作有：精馏 、 吸收 、 解吸和萃取等。精馏是分离液体混合物最常用的一种单元操作，即利用液相混合物中各相分挥发度的不同，使易挥发组分由液相向气相转移，难挥发组分由气相向液相转移。 苯和甲苯都是化工生产中的重要原料 ，属于芳香族化合物 。因此，将苯和甲苯从其混合物中分离出来 加以提纯， 意义重大。 塔设备 按结构形式可分为填料塔和板式塔。由于板式塔的分离效果比填料塔好， 考虑到苯和甲苯的物性以及生产费用问题，本设计选用化工生产中被广泛采用的筛板塔。因为筛板塔较其他类型塔有如下优点：结构简单，成本低，塔板效率高，安装维修方便 。 本设计的主要内容是 ：过程的物料衡算 、 热量衡算，工艺计算，结构设计和校核，机械强度设计 (特别是要考虑风载荷和地震载荷的影响 )，管路选择，贮罐、换热器 的选型，绘制工艺流程图，以及 塔的施工图设计 ： 包括总装配图和若干零件图。 关键词 ： 精馏 筛板塔 工艺计算 结构设计 强度校核 is an in so It or on is of as an in is to an 2 页 共 90 页 a of it be a if be of of as as in As to of of of of of of 录 第一章 概述 1 第二章 流程的设计及说明 3 第三章 工艺设计计算 4 第 3 页 共 90 页 料衡算 4 定塔内操作温度 5 定回流比及塔板数 6 设计计算 8 馏段计算 8 馏段计算 20 精馏塔高度的计算 33 第四章 精馏塔的结构设计 34 塔盘 34 各接管及法兰选择 35 人孔 40 操作平台和扶梯 41 裙座 42 吊柱 43 第五章 塔体和裙座的机械设计 45 选择材料和确定参数 45 计算筒体和封头的厚度 46 塔的自振周 期的计算 46 塔体的质量载荷计算 47 风载荷及风弯矩计算 50 地震载荷及弯矩的计算 52 各载荷引起的轴向应力 54 第 4 页 共 90 页 筒体和裙座危险截面的强度与稳定性校核 56 筒体和裙座水压试验应力校核 57 座和塔体的连接焊缝校核 59 础环设计 60 脚螺栓计算 61 第六章 附属设备的计算及选型 65 贮罐 65 换热器 66 参考文献 69 英文翻译 70 谢辞 85 第 5 页 共 90 页 毕业设计 (论文 ) 题 目 年处理量 8万吨 苯 甲苯分离塔设计 学院名称 机械工程学院 第 6 页 共 90 页 第一章 概述 塔设备是化工、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，达到相际传质及 传热的目的。可在塔设备中完成 的常见操作有：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。 作为主要用于传质过程的塔设备，首先必须使气液两相能充分接触，以获得较高的传质效率。此外，为了满足工业 生产的需要，塔设备还得考虑下列各项要求。 (1)生产能力大； (2)操作稳定、弹性大； (3)流体流动的阻力小； (4)结构简单，制造和安装容易 。 化工生产中所处理的原料，粗产品几乎都是混合物，为了满足生产中各种要求，时常需要将其分离为较纯净的物质。苯是化工工业和医药工业的重要基本原料，甲苯是有机化工合成的优良溶剂。本次设计任务是为实现苯 采用精馏操作。 精馏即利用液体混合物各组分沸点或挥发度的不同，将物质多次部分汽化与部分冷凝，从而使液体混合物 得到分离与提纯。 对此，需采用板式精馏塔 。板式塔相 比填料塔，是一种逐级接触的气液传质设备，在压力较高时，分离效果比填料塔好。板式塔塔内以塔板作为基本构件，气体自塔底向上以鼓泡或喷射的形式穿过塔板上的液层，使气液相密切接触而进行传质与传热，两相的组分浓度呈阶梯式变化。 板式塔的种类繁多，按塔板的结构分：有泡罩塔 、 筛板塔 、浮阀塔、舌形塔等。这里选用筛板塔，这是因为：与其他形式的板式塔相比，筛板塔结构简单，成本低，板效率高，安装维修方便。 筛板塔塔盘分为筛孔区、无孔区、溢流堰及降液管等部分。 筛板塔的气液接触情况是：液体从上层塔 盘的降液管流下，横向流过塔盘，越过溢 流堰经溢流管流入下一层塔盘；蒸汽自下而上穿过筛孔时，被分散成气泡，在穿越塔盘上液层时，进行气液间传热与传质。 第 7 页 共 90 页 下图为筛板精馏塔的结构示意图： 本设计的主要内容是 ：过程的物料衡算、 热量衡算，工艺计算，结构选型和设计 ，机械强度设计， 贮罐、换热器 的 选型。 第 8 页 共 90 页 第二章 流程的设 计及说明 进料时采用泡点进料，这种进料状况不受季节气温的影响，且精馏段与提馏段的气体流量相等，塔径也相等。原料液在 25 时从贮罐（ 离心泵输送到塔前预热器 (预热至泡点温度 由精馏塔进料口进入塔内在进料板上液体一部分与自塔上部下降的回流液体混合后逐板溢流，最后流到塔底。料液的一部分与自塔底上升的蒸汽相互接触进行热和质的传递过程，上升的蒸汽由塔釜再沸器（ 时产品量也很大可采用塔外再沸器即立式虹吸式再沸器，用饱和水蒸气加热）经饱和蒸汽换成 109蒸汽 由塔最下面一块板上进入塔内，逐层上升与溢流液体进行传质，最后经塔顶冷凝器(环水（进口温度 20 ）冷凝成 的饱和液体进入回流罐(一部分重力回流，一部分经塔顶冷却器 (进口温度 20的井水冷却至 25，输入苯贮罐。塔底产品甲苯经塔底冷却器冷却至 25 输入甲苯贮罐，为了节省能耗，可考虑将冷却器与塔前物料预热进行热交换，换热后原料还未达到泡点，可考虑再加个换热器。再沸器内水蒸气换热后变成同温度水可用于工人取暖和淋浴。 第 9 页 共 90 页 第三章 工艺设计计算 (一 )原料规格及分离要求 年产 8万吨 即 1077200h=11111顶苯含量不低于 99%（质量分率）。塔底苯含量不高于 2%（质量分率） (二 )生产条件 操作条件 :操作温度 :原料和产品均为常温 (25 ) 塔顶冷凝器 :用循环水冷却 (进口温度 20 ) 塔底再沸器 :用饱和水蒸汽加热 回流比 :取最小回流比的 2倍 物料衡算 原料液 塔顶和塔底产品的摩尔分数： 苯的摩尔质量 k m o / 甲苯的摩尔质量 k m o / 原料液塔顶、塔底的平均摩尔质量 : k m o m o m o 而原物料处理量 hk mo 由 第 10 页 共 90 页 可得： hk 确定塔内操作温度 由手册可以查处苯（ A） 和甲苯（ B）饱和蒸汽压和温度的关系如下图： 温度， 80 1 85 90 95 100 105 110 6 ， 01 33 116 9 135 5 155 7 179 2 204 2 240 0 0 0 46 0 54 0 63 3 74 3 86 0 101 33 由拉乌尔定律可计算气液平衡数据： 计算结果如下图 苯 % 温度 t， 80 1 85 90 95 100 105 110 6 x 1 000 0 780 0 581 0 412 0 258 0 130 0 y 1 000 0 900 0 777 0 633 0 456 0 262 0 第 11 页 共 90 页 绘制如上的（ 形结合苯的摩尔分数得 塔顶温度为 81 进料板温度： 塔底温度： 109塔的平均温度： 952 1 0 9812 确定回流比 及塔板数 用作图法确定最小回流比如图： 饱和蒸汽进料 q=1 进料线如图： 54.0i nm i n求精馏塔的气液负荷 hk m o hk m o / 第 12 页 共 90 页 hk mo hk mo 求精馏段操作线方程： y w 图解法求理 论板的数目： 由上图可知总理论板数为 含再沸器 ) 精馏段塔板 9自精馏段由上往下 ) 估算总塔的效率： 为苯的相对挥发度： 00 由前面的计算可知：塔顶、塔底的平均温度为 95，由手册查出aA 、 aB 则 第 13 页 共 90 页 苯的粘度： 苯的粘度： 平均温度下的物料平均粘度为： 则总塔效率： % 计算实际塔板数： 总塔板： 8块 进料塔板： 6 则精馏段的塔板数 : 16提 馏段的塔板数： 12塔设计计算 (1)操作温度 塔顶温度 1进料温度为 精馏段平均温度 （ 2）平均摩尔质量计算 k m o m o 第 14 页 共 90 页 (3)平均密度 、表面张力、粘度 计算 理想气体方程 3/ 1 m 液相的平均温度计算式为： 1 由 81 查表得 3/ 3/809 3/ 48 0 由 查表得 3/802 3/ 由图解理论板得： y 查平衡曲线得 x 则质量分数： 精馏段液相平均密度为： 3/00 液相平均表面张力依下式计算： x 塔顶液相平均表面张力 由 81 查手册得 1 第 15 页 共 90 页 进料板液相平均表面张力：由 查手册得： 故： m /则精馏段液相平均张力为： 塔顶液相平均粘度 81 查手册得 3 0 L D m 则： m 料板液相平均粘度 手册得 2 8 L F m m 精馏段的液相平均粘度为： 2 4)精馏段气，液相负荷及气，液相体积流率 m o m o (5)塔体工艺尺寸计算 第 16 页 共 90 页 m a 取板间距 板上液层高度 T 查化工原理上册 = a x 取安全系数为 空塔气速为 m a x 塔径 s 圆整为 则 222 4 实际空塔气速 (6)精馏段有效高度为 提馏段有效高度 ( 1 (7)塔板主要工艺尺寸计算 因塔径 可选用单溢流弓形降液管 采用凹形受液盘 (1)溢流堰长 : 9 (2)溢流堰高度：第 17 页 共 90 页 选用平直堰，堰上液层高度 由经验取 E=1，则 1 0 00 0 5 0 2 取板上清液高度0 17=3)弓形降液管宽度= 4)验算液体在降液管中停留时间 =3600T/3 5 =(3600 (3600 5s 故降液管设计合理 (5)降液管底隙高度 取 ho=08=降液管底隙高度设计合理 选用凹形受液盘，深度 0(8)塔板布置 因 D=180000表可确定用五块塔板 第 18 页 共 90 页 D沫区宽度 边缘区宽度 开孔区面积 i i 故其中筛孔计算及其排列 ： 所处理的物系无腐蚀性可选用 的碳钢板 ,由于液相表面张力为正值故取筛孔直径 0 筛孔按正三角形排列 取孔中心距为 5533 0 筛孔数目 n= 2 t A 20 气体通过阀孔的气速为 AV s m/s （ 9） 筛板的流体力学验算 ho= 液注 气体通过液层的阻力计算 气体通过液层的阻力 第 19 页 共 90 页 21210 / 化学工艺手册 3 5 液注 0 液注 气体通过每层塔板的液注高度 hp 7 8 2 5 1 液注 气体通过每层塔板的压降为 计合理 ) 对于筛板塔 ,液面落差很小 ,本例塔径和液流不大 ,故可忽略 ,液面落差的影响 . 气液气液故 所以在本设计中液沫夹带量 对筛板塔漏点气速 L /m i n,0 第 20 页 共 90 页 实际孔速 s 稳定系数 u0/=在本设计中无明显漏液 为防止塔内发生液泛，降液管内液层高 苯 甲苯物系属一般物系，取 = 2 4 6 wT 而板上不设进口堰， 液柱 7 6 故 故在本设计中不会发生液泛现象 . （ 10） 塔板负荷性 能 3200m i n,320m i n,m i n,00m i n,21 页 共 90 页 化简得 : 32m i n, V 在操作范围内，任取几个上式计算出算结果如下表 , 3 , 3 上数据可作出漏液线 1 整理得：故，由关系如下：气为限，求液3, 3, 以上数据可作出液沫夹带线 2 对于平直堰，取堰上液层高度 。作为最小液体符合标准006.0第 22 页 共 90 页 i n,32 ，则取据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下 限线 3 以 =4下式得 据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线 4 令 由 ; 联立得 )1()1(忽略h，将整理得 32/2/2/ 式中 )()( WT 1(/ 20/ )/(153.0 323/ )3 6 0 0)(1( 将有关的数据代入，得 a x, 故第 23 页 共 90 页 0 0 9 7 5 a 1 7 9 b 5 c 23/ d 3222 8 7 9 9 故或是 3222 1 在操作范围内，任取几个上式计算出算结果列于下表 , 3 , 3 上表数据即可作出液泛线 5 根据以上各个线方程，可作出筛板塔的负荷性能图，如下图： 第 24 页 共 90 页 现将精馏段的计算结果汇总于表中，如下 : 筛板塔精馏段设计计算结果 项目 数值及说明 备注 塔径 D/m 板间距 HT/m 塔板形式 单溢流弓形降液管 五 块式塔板 空塔气 速 u/(m/s) 堰长 lw/m 堰高 hw/m 降液管底隙高度0h/m 阀孔数 N/个 8942 等腰三角形叉排 阀孔气速 (1)操作温度 由前面可知： 塔底温度 09 进料板的温度 提馏段平均温度： 0 (2)平均摩尔质量计算 塔底平均摩尔质量计算 ： 由图解理论板得： 05.0 料板平均摩尔质量计算： 由图解理论板得： y x k m o F m / k m o F m / 提馏段平均摩尔质量计算： k m o m / k m o m / (3)平均密度 、表面张力、粘度 计算 气相平均密度计算 理想气体方程 3/P m 第 26 页 共 90 页 液相平均密度 液相平均密度由下式计算 a /1 进料板液相平均密度： 由 查手册得 : 3/802 3/ 3/ m 由 109查手册得： 3/ 3/ 3/ 1/ 1/ m 则 提馏段的液相平均密度为： 3/81 液体表面张力的计算 液相平均表面张力依下式计算 x 塔底液相平均表面张力 由 109查手册得 故： m / 进料板液相平均表面张力：由 查手册得： 故： m /提馏段液相平均表面张力： 第 27 页 共 90 页 液体平均粘度 液相平均粘度按照下式计算： x 进料板液相平均粘度 查手册得 279.0 2 8 L F m 得 底液相平均粘度： 109查手册得 237.0 2 4 L W m得 m 提馏段液相的平均粘度为： 2 6 (4)提馏段气，液相负荷及气，液相体积流率 hk mo hk mo 0 0 0 0 3 03 6 0 0 0 0 3(5)塔体工艺尺寸计算 由 m a x 第 28 页 共 90 页 式中的 0 式中的20 图的横坐标为 0 0 121 取板间距 ,板上液层高度 则有： LT 查表得 : 20 故 a x 取安全系数为 空塔气速为： m a x s 按标准圆整塔径后 塔截面积为 222 4 实际空 塔气速 8 7 3 精馏塔提馏段有效高度的计算： (7)塔板主要工艺尺寸计算 第 29 页 共 90 页 因塔径 可选用单溢流弓形降液管 采用凹形受液盘 溢流堰长 9 溢流堰高度wh：选用平直堰，堰上液层高度 =1，则 0 2 0 0 2 h 为 70 弓形降液管宽度故有 8 验算液体在降液管中停留时间 故降液管设计合理 降液管底隙高度 取 第 30 页 共 90 页 故降液管底隙高度设计合理 (8)塔板布置 因 查表采用五块板 宽度确定 破沫区宽度 S 边缘区宽度 开孔区面积 i i 故其中筛孔计算及其排列 所处理的物系无腐蚀性可选用 的碳钢板 ,由于液相表面张力为正值故取筛孔直径 0 筛孔按正三角形排列 取孔中心距为 5533 0 筛孔数目
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