苯-甲苯连续精馏塔机械设计

1、目目 录录 第一章第一章 绪论绪论.1 1.1 设计题目.1 1.2 精馏及精馏流程.1 1.3 精馏的分类.1 1.4 精馏塔的工作原理.2 1.5 精馏操作的特点.2 1.6 塔板的类型与选择.3 第二章第二章 精馏塔的设计任务精馏塔的设计任务.4 2.1 精馏塔的工艺参数.4 2.2 设计内容.4 2.3 工艺流程设计方案.5 第三章第三章 精馏塔的工艺设计计算精馏塔的工艺设计计算.6 3.1 设计方案的确定.6 3.2 精馏塔的物料衡算.6 3.2.1 原料液、塔顶和塔釜产品的摩尔分数.6 3.2.2 原料液、塔顶和塔釜产品的平均摩尔质量.6 3.2.3 物料衡算.6 3.3 塔板数的

2、确定.7 3.3.1 理论塔板数的确定.7 3.3.2 求实际塔板数.10 3.4 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算.10 3.4.1 操作压力.10 3.4.2 操作温度.10 3.4.3 平均摩尔质量.10 3.4.4 平均密度.11 3.4.5 液相平均表面张力.11 3.4.6 液相平均黏度.12 3.5 精馏塔的塔体工艺尺寸计算.12 3.5.1 塔径的计算.12 3.5.2 精馏塔有效高度的计算.13 3.6 塔板主要工艺尺寸的计算.14 3.6.1 溢流装置计算.14 3.6.2 塔板布置及浮阀数目与排列.16 3.7 塔板流体力学验算.18 3.7.1 气相通过浮阀塔板的压

3、降.18 3.7.2 淹塔.20 3.7.3 雾沫夹带.20 3.8 塔板负荷性能图.22 3.8.1 雾沫夹带线.22 3.8.2 液泛线.22 3.8.3 液相负荷上限线.23 3.8.4 漏液线.23 3.8.5 液相负荷下限线.24 3.9 计算结果汇总.25 第四章第四章 精馏塔机械设计精馏塔机械设计.27 4.1 选材.27 4.2 塔器壁厚及质量计算.27 4.2.1 塔器壁厚计算.27 4.2.2 塔的质量计算.28 4.3 塔体强度与稳定性校核.32 4.3.1 塔的基本自振周期计算.32 4.3.2 地震载荷计算.32 4.3.3 风载荷的计算.35 4.3.4 各种载荷引

4、起的轴向应力.38 4.3.5 筒体和裙座危险截面的强度与稳定性校核.40 4.3.6 筒体和裙座水压试验应力校核.41 4.4 基础环厚度计算.43 4.5 地脚螺栓计算.44 4.5.1 地脚螺栓计算承受的最大压力.44 4.5.2 地脚螺栓直径.44 4.5.3 裙座与塔壳连接焊缝验算.44 4.6 开孔与孔补强计算.45 4.6.1 填料上下塔段连接部位的补强计算.45 4.6.2 有效补强范围.46 4.6.3 有效补强面积.46 4.7 接管的选用.47 4.8 接管法兰的选取.48 第五章第五章 塔设备的制造及安装塔设备的制造及安装.50 5.1 制造要求.50 5.2 组装要求

5、.51 5.3 封口前的检查.52 心得体会心得体会.53 参考文献参考文献.55 第一章 绪论 1.1 设计题目设计题目 苯甲苯连续精馏塔的工艺设计（浮阀塔） 1.2 精馏及精馏流程精馏及精馏流程 精馏是多级分离过程，即同时进行多次部分汽化和部分冷凝的过程。因此可是混合 物得到几乎完全的分离。精馏可视为由多次蒸馏演变而来的。精馏操作广泛用于分离纯 化各种混合物，是化工、医药、食品等工业中尤为常见的单元操作。化工成产中，精馏 主要用于以下几种目的: （1）获得馏出液塔顶的产品； （2）将溶液多级分离后，收集馏出液，用于获得甲苯，氯苯等； （3）脱出杂质获得纯净的溶剂或半成品，如酒精提纯，进行精

6、馏操作的设备叫做精 馏塔。 精馏过程中采用连续精馏流程，原料液经预热器加热到指定温度后，送入精馏塔的 进料板，在进料板上与自塔顶上部下降的回流液体汇合后，逐板溢流，最后流入塔底再 沸器中。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， 连续地从再沸器取出部分液体作为塔底产品，部分汽化，产生上升蒸汽，依次通过各层 塔板。塔顶蒸汽进入冷凝器中被全部冷凝，并将部分冷凝液用泵送回塔顶作为回流液体， 其余部分经冷却器后被送出作为塔顶产品。根据精馏原理可知，单有精馏塔还不能完成 精馏操作，必须同时拥有塔底再沸器和塔顶冷凝器，有时还有配原料液，预热器、回流 液泵等附属设备，才能实现整

7、个操作。 1.3 精馏的分类精馏的分类 按操作方式可分为:间歇式和连续式，工业上大多数精馏过程都是采用连续稳定的操 作过程。 化工中的精馏操作大多数是分离多组分溶液。多组分精馏的特点： 能保证产品质量，满足工艺要求，生产能力大； 流程短，设备投资费用少； 耗能量低，收率高，操作费用低； 操作管理方便。 1.4 精馏塔的工作原理精馏塔的工作原理 塔设备的工作原理是通过内部结构使气液两相或液液之间充分接触，实现质量传递 和热量传递。它是一种重要的单元操作设备，在石油化工、炼油、医药及环境保护等工 业部门应用广泛。蒸馏装置包括精馏塔，原料预热器，蒸馏釜（再沸器） ，冷凝器，釜液 冷却器和产品冷却器等

8、设备。蒸馏过程按操作方式的不同，分为连续蒸馏和间歇蒸馏两 种流程。连续蒸馏具有生产能力大，产品质量稳定等优点，工业生产中以连续蒸馏为主。 间歇蒸馏具有操作灵活、适应性强等优点，适合于小规模、多品种或多种组分物系的初 步分离。 本设计主要内容，主要是工艺设计部分，塔板的类型和选择、操作压力的选择、精 馏塔的物料衡算、确定塔高、塔径、理论塔板数、全塔效率、塔顶及塔底产品的预分配、 溢流装置的设计、塔板流体力学验算、气相通过筛板塔的压强降等。本次设计的题目是 苯甲苯连续精馏塔的工艺设计，选用筛板式塔。此塔具有生产能力较大、操作弹性 大、液面落差也较小、压力降小、结构简单、造价低等特点，发展前途广泛，

9、主要应用 于石油、化工、轻工、医药及环境保护等领域。 1.5 精馏操作的特点精馏操作的特点 从上述对精馏过程的简单介绍可知，常见的精馏塔的两端分别为汽化成分的冷凝和 液体的沸腾的传热过程，精馏塔也就是一种换热器。但和一般的传热过程相比，精馏操 作又有如下特点： （1)沸点升高 精馏的溶液中含有沸点不同的溶剂，在相同的压力下溶液的蒸汽压较同温度下纯溶 剂的汽化压低，使溶液的沸点高于醇溶液的沸点，这种现象称为沸点的升高。在加热汽 化温度一定的情况下，汽化溶液时的传热温差必定小于加热纯溶剂的纯温差，而且溶液 的浓度越高，这种影响也越显著。 （2)物料的工艺特性 精馏溶液本身具有某些特性，如某些物料在

10、加入到溶液中时可与溶液中的某一组分 或几组分形成恒沸液等。如何利用物料的特性和工艺要求，选择适宜的精流流程和设备 是精馏操作彼此需要知道和必须考虑的问题。 （3)节约能源 精馏汽化的溶剂量较大，需要消耗较大的加热蒸汽。如何充分利用热量提高加热蒸 汽的利用率是精馏操作需要考虑的另一个问题。 1.6 塔板的类型与选择塔板的类型与选择 塔板是板式塔的主要构件，分为错流式塔板和逆流式塔板两类 ，工业应用以错流 式 塔板为主，常用的错流式塔板有：泡罩塔板、筛孔塔板和浮阀塔板。我们应用的是浮 阀塔板，因为它是在泡罩塔板和筛孔塔板的基础上发展起来的，它吸收了两种塔板的优 点。它具有结构简单，制造方便，造价低

11、；塔板开孔率大，生产能力大；由于阀片可随 气量变化自由升降，故操作弹性大，因上升气流水平吹入液层，气液接触时间较长，故 塔板效率较高。 第二章 精馏塔的设计任务 2.1 精馏塔的工艺参数精馏塔的工艺参数 1. 进精馏塔的料液含苯 35%(质量)，其余为甲苯。 2. 产品的苯含量不得低于 98%（质量） 。 3. 釜液中苯含量不得高于 3.0%（质量） 。 4. 生产能力为年（8000 小时）产 16 万吨 98%（质量）的苯产品。 5. 操作条件 （1）精馏塔塔内压强 常压 （2）进料热状态 泡点 （3）回流比 自选 （4）加热蒸汽 低压饱和蒸汽 （5）单板压降 0.7kPa （6）塔顶压强

12、35kPa（表压） 6. 设备型式 浮阀塔 7.厂址为锦州地区。 2.2 设计内容设计内容 1.确定精馏装置流程 2.精馏塔的工艺设计 塔板数基础数据的查取及估算，工艺过程的物料衡算及热量衡算，理论，塔板效率， 实际塔板数，板间距，塔径，塔高，溢流装置，塔盘布置，流体力学验算，操作负荷性 能图及操作弹性等等。 3. 精馏塔的机械设计 选材，壁厚质量计算，载荷的校核，如地震载荷风弯距计算等，开孔补强等等。 4. 主要附属设备设计计算及选型 2.3 工艺流程设计工艺流程设计方案方案 工艺流程：原料液由高位槽经过预热器预热后进入精馏塔内。操作时连续的从再沸器 中取出部分液体作为塔底产品（釜残液）再沸

13、器中原料液部分汽化，产生上升蒸汽，依 次通过各层塔板。塔顶蒸汽进入冷凝器中全部冷凝或部分冷凝，然后进入贮槽再经过冷 却器冷却。并将冷凝液借助重力作用送回塔顶作为回流液体，其余部分经过冷凝器后被 送出作为塔顶产品。为了使精馏塔连续的稳定的进行，流程中还要考虑设置原料槽。产 品槽和相应的泵,有时还要设置高位槽。为了便于了解操作中的情况及时发现问题和采取 相应的措施，常在流程中的适当位置设置必要的仪表。比如流量计、温度计和压力表等， 以测量物流的各项参数。 第三章 精馏塔的工艺设计计算 3.1 设计方案的确定设计方案的确定 本设计任务为分离苯和甲苯二元混合物，故采用常压下的连续精馏装置。本设计 采用

14、泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。塔顶上升蒸汽用全凝 器冷凝，冷凝液在泡点温度下一部分回流至塔内进一步精馏，其余部分作为产品经冷却 器冷却后送入储罐。该物系属易分离物系，故采用的最小回流比较小，操作回流比取最 小回流比的 1.5 倍。塔釜采用间接蒸汽加热，塔釜产品经冷却后送入储罐。 3.2 精馏塔的物料衡算精馏塔的物料衡算 3.2.1 原料液、塔顶和塔釜产品的摩尔分数原料液、塔顶和塔釜产品的摩尔分数 苯的摩尔质量 kmol/kg78 A M 甲苯的摩尔质量 kmol/kg92 B M 0.35 78 0.39 0.35 780.65 92 F x 0.98 78 0.983

15、 0.98 780.02 92 D x 0.03 78 0.035 0.03 780.97 92 W x 3.2.2 原料液、塔顶和塔釜产品的平均摩尔质量原料液、塔顶和塔釜产品的平均摩尔质量 0.39 780.61 9286.54 F Mkg / kmol 0.983 780.017 9278.24 D Mkg / kmol 0.035 780.965 9291.51 W Mkg / kmol 3.2.3 物料衡算物料衡算 原料处理量 2 104 231.11 86.54 F kmol/ h 对苯进行物料衡算 231DW 0.9830.035231.11 0.3990.13DW 联立解得， 8

16、6.55kmol/ hD 144.45kmol/ hW 3.3 塔板数的确定塔板数的确定 3.3.1 理论塔板数的确定理论塔板数的确定 苯-甲苯属二元理想物系，采用图解法求理论塔板数。 苯-甲苯气液平衡与温度关系，见附表一 表表 1-1-苯苯- -甲苯气液平衡与温度关系表甲苯气液平衡与温度关系表 苯的摩尔分数苯的摩尔分数 液相汽相 温度/ C 液相汽相 温度/ C 0.00.0110.659.278.989.4 8.821.2106.170.085.386.8 20.037.0102.280.391.484.4 30.050.098.690.395.782.3 39.761.895.295.0

17、97.981.2 48.971.092.1100.0100.080.2 （1）由苯-甲苯气液平衡数据绘图，见附图 1。yx 附图附图 1 1 (2) 求最小回流比和操作回流比 由附图 1 可知 ，0.39 q x 0.609 q y 则最小回流比为 min 0.9830.609 1.71 0.6090.39 Dq qq xy R yx 操作回流比 min 1.52.56RR （3） 求精馏塔的汽液相负荷 2.56 86.55221.57LRDkmol/ h (1)(2.56 1) 86.55308.12VRDkmol/ h 221.57 1 231.11452.68LLqF kmol/ h (

18、1)308.12VVq F）（h/kmol (4) 操作线方程 精馏段操作线方程： 12.561 0.9830.720.28 112.56 13.56 D R yxxxx RR 提馏段操作线方程： 452.68144.45 0.0351.470.016 308.12308.12 W LW yxxxx VV （5）图解法求理论塔板数 由附图 1 可知，总理论塔板数，其中，（不包括再沸器） 。15 T N , 7 T N 精, 8 T N 提 (6) 估算全塔效率 因塔顶为全凝器，则塔顶第一块塔板处气相组成 ，由附图 1 知第一 1 0.983 D yx 块塔板处液相组成，进料板处液相组成，气相组

19、成，塔底 1 0.958x 0.39 F x 0.609 F y 液相组成 ，气相组成 ，0.035 W x0.050 W y 则塔顶、进料板和塔底相对挥发度为 0.958 0.983 1 0.9581 D D （） 0.39 0.609 10.39(1) F F 0.035 0.05 10.0351 W W （） 解得， 2.471 D 2.44 F 1.451 W 塔内平均相对挥发度为 3 3 2.47 2.44 1.4512.06 mDFW 由气液平衡数据估算温度 ， ， 82 D tC 92 F tC 110 W tC 则塔内平均温度 941109282 3 3 WFDm ttttC

20、进料液组成，在 94时苯和甲苯黏度分别为0.39 A x 0.61 B x C smPa26 . 0 A smPa30 . 0 B 0.39 0.260.61 0.300.284 LiiAABB xxx 由法得全塔效率connellO 0.250.25 0.49()0.49 (2.06 0.284)0.56 omL E 3.3.2 求实际塔板数求实际塔板数 精馏段塔板数 , 8 0.5614.2815 opT NNE 精精 提馏段塔板数 , 7 0.5612.513 opT NNE 提提 3.4 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 3.4.1 操作压力操作

21、压力 塔顶操作压力 101.3335136.33 D p kPa 进料板处压降 136.330.7 15146.83 F p kPa 塔底压降 136.330.7 (15 13)155.93 W pkPa 精馏段平均压降 136.33 146.83 141.58 2 m p kPa 3.4.2 操作温度操作温度 依据操作压力，由泡点方程，通过试差计算出泡点温度，其中，苯-甲苯的饱和蒸 汽由安托尼方程计算，计算过程略，故塔顶、进料板和塔底温度分别为： 82.5 D t C 96.7 F t C 115.6 W tC 精馏段平均温度 82.596.2 89.35 22 DF m tt t C 3.

22、4.3 平均摩尔质量平均摩尔质量 塔顶气相和液相平均摩尔质量，其中，。 1 0.983 D yx 1 0.958x 0.958 780.042 9278.59 LDm Mkg / kmol 0.983 780.017 9278.24 VDm Mkg / kmol 进料板处气相和液相平均摩尔质量，由附图 1 知，。0.59 F y 0.37 F x 0.37 780.63 9286.82 LFm Mkg / kmol 0.59 780.41 9283.74 VFm Mkg / kmol 精馏段气相和液相平均摩尔质量 78.5986.82 82.71 22 LDmLFm Lm MM M kg /

23、kmol 78.2483.74 80.99 22 VDmVFm Vm MM M kg / kmol 3.4.4 平均密度平均密度 （1）气相平均密度 由理想气体状态方程计算，即 141.58 80.99 3.804 8.314 (273.1589.4) mVm Vm m p M RT 3 kg / m （2）液相平均密度 液相平均密度计算公式： ii m w 1 塔顶液相平均密度：由 查得 ，。82.5 D t C 3 m/kg 9 . 812 A 3 m/kg 5 . 809 B 塔顶液相的质量分数 91 . 0 92079 . 0 78921 . 0 78921 . 0 A w 6 . 8

24、12 5 . 80909 . 0 9 . 81291 . 0 1 LDm 3 kg / m 进料板液相平均密度：由 查得，。96.7 F t C 3 m/kg 0 . 797 A 3 m/kg 2 . 795 B 进料板液相的质量分数 0.37 78 0.332 0.37 780.63 92 A w 1 795.8 0.332 797.00.668 795.2 LFm 3 kg / m 精馏段液相平均密度： 812.8795.8 804.3 22 LDmLFm Lm 3 kg / m 3.4.5 液相平均表面张力液相平均表面张力 液相平均表面张力计算公式： iiLm x 塔顶液相平均表面张力：

25、由 查得82.5 D t C ，m/N102.21 3 A m/N104.21 3 B 0.958 21.20.042 21.421.21 LDm 3 10 N / m 进料板液相平均表面张力：由 查得96.7 F t C ，m/N10 4 . 19 3 A m/N10 8 . 19 3 B 0.37 19.40.63 19.819.65 LFm 3 10 N / m 精馏段液相平均表面张力： 21.21 19.65 20.43 22 LDmLFm Lm 3 10 N / m 3.4.6 液相平均黏度液相平均黏度 液相平均黏度计算公式： iiLm xlglg 塔顶液相平均黏度： 由 查得82.

26、5 D t C ，0.32Pa s A M0.33Pa s B M 0.958 0.320.042 0.330.32 LDm Pa s M 进料板液相平均黏度：由 查得96.7 F t C ，0.25Pa s A M0.27Pa s B M 0.37 0.250.63 0.270.263 LFm mPa s 精馏段液相平均黏度： 0.3200.263 0.291 22 LDmLFm Lm Pa s M 3.5 精馏塔的塔体工艺尺寸计算精馏塔的塔体工艺尺寸计算 3.5.1 塔径的计算塔径的计算 (1) 最大空塔气速和空塔气速 最大空塔气速计算公式 V VL Cu max 精馏段气、液相体积流率为

27、 , 221.57 82.71 0.0063 36003600 804.3 Lm V L Lm LM q 3 m /s , 308.12 80.99 1.822 36003600 3.804 Vm V V Vm VM q 3 m /s 由 关联图查，其中横坐标为BRSmith., 20 C 1 2 1 2 , , 0.0063804.3 0.050 1.8223.804 V L Lm V VVm q q 取板间距，板上液层高度，则m45 . 0 T Hm05 . 0 L h 4 . 005. 045 . 0 LT hH）（m 查化工原理课程设计图 3-3 得，则 086 . 0 20 C 0.

28、20.2 20 20.42 0.0860.086 2020 Lm CC max 804.33.804 0.0861.248 3.804 LV V uC m/s 空塔气速，取安全系数为 0.6，则 max )8 . 06 . 0(uu max 0.60.6 1.2480.75uum/s （2） 塔径 , 4 4 1.822 1.759 3.14 0.75 V V q D u m 按标准化圆整取 。1800mmD 塔截面积为 22 3.14 1.82.545 44 T AD 2 m 实际空塔气速为 , 1.822 0.72 2.545 V V T q u A m/s 3.5.2 精馏塔有效高度的计

29、算精馏塔有效高度的计算 精馏段有效高度 , (1)(15 1) 0.456.3 Tp ZNH 精精 ）（m 提馏段有效高度 , (1)(13 1) 0.455.4 Tp ZNH 提提 ）（m 在进料板、精馏段和提馏段各开一个人孔，有人孔处板间距均为 0.8m，故精馏塔的 有效高度 0.8 36.35.40.8 314.1ZZZ 提精 m 塔体总高度计算公式 BFTTpD HHSHHSNHH )2( 式中 塔顶空间高度，通常取，m； D H T H)0 . 25 . 1 ( 塔底空间高度，m； B H 塔板间距，m； T H 开有人孔的塔板间距，m； T H 进料板处空间高度，m； F H 实际

30、塔板数，个； p N 人孔数目（不包括塔顶空间和塔底空间的人孔） ，个。S 3.6 塔板主要工艺尺寸的计算塔板主要工艺尺寸的计算 3.6.1 溢流装置计算溢流装置计算 单流型是最简单也是最常用的一种液流型式，此种液流方式液体流径较长，塔板效 率较高，塔板结构简单，加工方便，广泛应用于直径 2.2m 以下的塔中，本次结构设计选 用单溢流弓形降液管，凹型受液盘。各项工艺尺寸计算如下： （1）堰长 单溢流堰长取 则 W l W lD)8 . 06 . 0( 0.70.7 1.81.26 W lD）（m （2）堰高 堰高计算公式 W h wLW hhh 0 选用平直堰，堰上液层高度计算公式 w h0

31、32 , 0 1000 84 . 2 W LV w l q Eh 查液流收缩系数见附图 2,其中横坐标 E 2.52.5 0.0063 3600 12.73 ( )(1.26) w L l R lw x Aa D Ws Af A f Wc W s t Wd 7 . 066 . 0 D lW 附图附图 2 2 堰长，m； 塔径，m； 液相流量， W lDLh/m3 根据设计经验，为使引起误差满足工程设计要求近似取，则0 . 1E 2 3 2 3 , 0 2.842.840.0063 3600 1.00.02 100010001.26 V L w W q hE l ）（m 堰高为 0 0.050.

32、020.03 WLw hhh）（m （3）弓形降液管宽度及截面积 d W f A 塔板布置及主要参数见附图 3 查附图 4，其中,7 . 066 . 0 D lW ，。0.15 d W D 0.085 f T A A 0.150.15 1.80.27 d WD）（m 0.0850.085 2.5450.216 fT AA）（ 2 m 验算液体在降液管中停留时间 附图附图 3 3 0.1 0.08 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0.40.50.60.70.80.91.0 0.2 0.3 0.4 0.5 Wd /D Af /A T lw/D , 3600 3600 0

33、.216 0.45 0.0063 3600 15.43s fT V L A H q 5s 故降液管设计合理。 （4）降液管底隙高度 0 h 计算公式 取，则 0 0.25m/su , 0 0 3600 0.0063 0.02 36003600 1.26 0.25 V L W q h l u m 范围内， 0.030.020.01m Wo hh 该值在，故降液管隙高度设计合理。 附图附图 4 4 6 12mm 3.6.2 塔板布置及浮阀数目与排列塔板布置及浮阀数目与排列 浮阀的型式多样，目前应用最广泛的是 F1 型，其结构简单，制造方便，性能好，省 材料，对于工业生产的浮阀塔，当板上所有阀刚开始

34、全开时，阀孔动能因数在之间，9 12 取，则孔速为 10 0 F 0 0 10 6.15 3.804 Vm F u ）（s/m 每层塔板上的浮阀数为 , 22 00 1.822 248 3.14 0.0396.15 44 V V q N d u 取边缘区宽度，泡沫区。 m06 . 0 c W0.08m s W 鼓泡区面积计算公式 附图附图 5 5 , 0 0 3600 V L W q h l u 2221 a 2sin 180 x Ax RxR R 75 t t 1.8 0.060.84 22 c D RW 1.8 ()(0.270.08)0.55 22 ds D xWWm 2221 a 22

35、212 2sin 180 0.55 20.550.840.550.84sin1.706m 1800.84 x Ax RxR R 浮阀排列方式采用等边三角形叉排，见附图 5 。 取同一横排的孔心距，则m075 . 0 mm75t a 1.706 71mm 248 0.075 A t Nt 取常用值。m08 . 0 t 按，以等腰三角形叉排方式作图见附图 6，得实际浮阀数0.075mt m075 . 0 t 个，见附图 7。283N 附图附图 6 6 附图附图 7 7 按重新核算孔速及阀孔动能因数：283N , 0 22 0 1.822 5.39 3.14 0.039283 44 V V q u

36、d N ）（s/m 00 5.393.80410.51 Vm Fu 阀孔动能因数变化不大，仍在范围内，故设计合理。129 塔板开孔率在范围内10% 14% 00 00 0 0.72 10013.4 5.39 u u 3.7 塔板流体力学验算塔板流体力学验算 3.7.1 气相通过浮阀塔板的压降气相通过浮阀塔板的压降 塔板压降计算公式 hhhh lcp （1）干板阻力 c h 临界孔速 11.825 11.825 0 73.173.1 5.05 3.804 c Vm u m/s 因，则干板压降为 c uu 00 22 0 5.393.804 5.345.340.05 22 9.81804.3 Vm

37、 c Lm u h g m （2）板上充气液层阻力 l h 查附图 7，其中横坐标，42.10 0 F 得充气系数，则板上充气液层阻力为 0 0.45 0 0.45 0.050.0225 lL hhm 式中，塔板上清液层高度； l h 充气系数； 0 0.80.401.21.62.02.42.8 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0 F0 附图附图 8 充气系数反映板上液层的充气程度，通常取。当液相为水溶液时，0.5 0.6 ，当液相为油时，故取 0 0.5 0 0.4 0.5 0 0.45 （3）克服表面张力所造成的阻力 h 阀塔很小可忽略不计，故气体流经一层 h 浮阀塔板的压

38、降相当的液柱高度为 0.050.02250.0625 pcl hhhm 单板压降 p 0.0625 804.3 9.81493.1 pLm phgPa 一般浮阀塔压降比筛板塔大，对常压塔和加压塔，每层浮阀塔板压降为，265 530Pa 故设计合理。 3.7.2 淹塔淹塔 为防止淹塔现象的发生，要求控制降液管中液层高度。)( WTd hHH 计算公式 d H dLd hhhH p （1）与气体通过塔板压降相当的液柱高度。0.0625m p h （1）液体通过降液管的压头损失，不设进口堰则 d h 2 2 , 0 0.0063 0.1530.1530.0096 1.26 0.02 V L d W

39、q h l h m （3）板上清液层高度 取，则 m05 . 0 L h p 0.06250.050.00960.122 dLd Hhhhm 取，5 . 0m45 . 0 T H0.02m W h 则 ()0.5 (0.450.02)0.24 TW Hhm 因为 ，故符合防止淹塔设计要求。0.12m()0.245m dTW HHh 3.7.3 雾沫夹带雾沫夹带 泛点率计算公式 1 F 0 0 , 1 100 36. 1 bF LLV VmLm Vm VV AKC Zqq F 0 0 , 1 100 78 . 0 TF VmLm Vm VV AKC q F 板上液体流经长度 20.92 0.27

40、1.260 Ld ZDW m 板上液流面积 22.5452 0.2162.113 bTf AAA m 物系系数见附表 3。 0.010.040.10.41.04.0102040100 0.05 0.1 0.15 板 间 距1.20m 0.910m 0.610m 0.300m 0.450m CF V/（kg/m 3 ） 表表 3 3 物系系数物系系数 系统 K 系统 K 无泡沫正常 系统 氧化物 中等发泡 1.0 0.90 0.85 多泡系统 严重起泡 形成稳定泡 沫 0.73 0.60 0.30 按无泡沫正常系统取。0 . 1K 查泛点负荷图，见附图 8，其中横坐标 3 3.97kg / m

41、VVm 附图附图 9 9 查得。0.125 F C 按式计算，即 , 00 1 00 00 1.36 100 3.80 1.8223.801.36 0.0063 1.260 804.32.92 10051.6 1.0 0.125 2.113 Vm V VV LL LmVm Fb qqZ F KC A 按式计算，即 , 000 000 1 3.80 1.8223.80 804.32.92 10010050.6 0.780.78 1.0 0.125 2.545 Vm V V LmVm FT q F KC A 两式计算出的泛点率都在 80以下，故可知雾沫夹带量能够满足 的设计要求。汽液 kg/kg1

42、 . 0 V e 3.8 塔板负荷性能图塔板负荷性能图 3.8.1 雾沫夹带线雾沫夹带线 按按式计算，其中泛点率取，即 0 0 1 80F , , 3.80 1.36 1.36 1.26 804.33.80 0.8 1.0 0.125 2.113 Vm V VV LL V VV L LmVm Fb qqZ qq KC A 整理得 （1） , 24.63 V VV L qq 雾沫夹带线是一条直线，在操作范围内任取两个值，依（1）式求出相应的 LV q , 值列于附表 4 中。 VV q , 附表附表 4 4 雾沫夹带线数据雾沫夹带线数据 ）（s/m/ 3 ,LV q 0.0010.002 ）（s

43、/m/ 3 ,VV q 2.9762.951 3.8.2 液泛线液泛线 由确定液泛线。式中很小 dwWlcdLpWT hhhhhhhhhhH 0 )( h 忽略不计，则 2 0 , 32 , 0 2 0 153 . 0 1000 84 . 2 )1 ( 2 34 . 5 )( hl q l q Eh g u hH w LV w LV W Lm Vm WT 物系及塔板结构尺寸一定，则、及等均为 T H w h 0 h w l Vm Lm 0 定值，且 式中和亦为定值。 Nd q u VV 2 0 , 0 4 0 dN 整理得： （2） 222 3 , 0.0112410.00350.2 V VV

44、 LV L qqq 在操作范围内任取若干个值，依（2）式求得相应的值列于附表 5 中。 LV q ,VV q , 附表附表 5 5 液泛线数据液泛线数据 ）（s/m/ 3 ,LV q 0.00120.0010.0150.02 ）（s/m/ 3 ,VV q 4.2611.004.2584.253 3.8.3 液相负荷上限线液相负荷上限线 液体的最大流量应保证在降液管中停留时间不低于，即s53 , 3600 3 5s fT V L A H q 求出上限液体流量值（常数） ，图上，液相负荷上限线为与气体流量 LV q ,VV q ,LV q , 无关的竖直线。 VV q , 以作为液体在降液管中停留

45、时间的下限，则s5 （3） , max 0.216 0.45 0.02 55 fT V L A H q 3 m /s 3.8.4 漏液线漏液线 对于 F1 型重阀，依计算，则 5 00 Vm uF Vm u 5 0 又知 ， 0 2 0, 4 Nudq VV 以作为规定气体最小负荷的标准，则气相负荷下限值为 5 0 F （4） 22 ,00 min 3.145 0.0392830.87 443.79 V V qd Nu 3 m /s 3.8.5 液相负荷下限线液相负荷下限线 取堰上液层高度作为液相负荷下限条件，计算公式为m006 . 0 0 w h 006 . 0 3600 1000 2.84

46、 32 min , w LV l q E 取，则0 . 1E （5） 3 2 , min 0.006 10001.26 0.0011 2.84 1.03600 V L q 3 m /s 根据附表四、附表五及式可分别作出塔板负荷性能图上的共五条线，）（）（53 见附图 10。 附图附图 1010 由塔板负荷性能图可以看出： 在任务规定的气液负荷下的操作点 A（设计点）处在适宜操作区域的适中位 置。 塔板的气相负荷上限完全由雾沫夹带控制。 按照固定的液气比，由附图 10 查出塔板的气相负荷上限， 3 , max 2.95m /s V V q 气相负荷下限。则操作弹性为 3 , min 0.87m

47、/s V V q , max , min 2.95 3.39 0.87 V V V V q q 3.9 计算结果汇总计算结果汇总 附表附表 6 6 浮阀塔板工艺设计结果浮阀塔板工艺设计结果 项目数值及说明备注 塔径m/D1.8 板间距m/ T H 0.45 塔板型式单溢流弓形降液管整块式塔板 空塔气速）（s /m/u0.74 堰长m/ w l 1.26 堰高m/ w h 0.03 板上液层高度m/ L h 0.05 降液管底隙高度m/ 0 h 0.02 浮阀数/个N283等边三角形叉排 阀孔气速）（s/m/ 0 u 5.58 阀孔动能因数 0 F 10.86 临界阀孔气速）（s/m/ 0c u

48、 5.84 孔心距m/ t0.075同一横排的孔心距 排间距m/ t0.075 相邻两横排的中心线距离 单板压降Pa/ p p 496.5 液体在降液管内停留时间s /15.67 降液管内清夜层高度m/ d H 0.12 泛点率/% 52.1% 气相负荷上限）（s/m/ 3 max ,VV q 2.95 雾沫夹带控制 气相负荷下限）（s/m/ 3 max ,VV q 0.87 漏液控制 操作弹性 3.39 第四章 精馏塔机械设计 4.1 选材选材 由于容器设计压力 P=0.15MPa，钢板使用温度 t=115.2350,用途用于壳体，厚 度不大于 20mm,使用毒性程度满足 Q235-B 要求

49、，以强度设计为主，依次选用 Q235、20R、16MnR，根据本次设计要求，由参考文献8，优先选用 20R 作为筒体材料， 其设计温度下的许用应力 =123MPa, 其试验温度下的 = t 133MPa，裙座材料选择 Q235-B，其许用应力 =105MPa, 245 s MPa t =113MPa，。235 s MPa 5 1.9 10EMPa 4.2 塔器壁厚及质量计算塔器壁厚及质量计算 4.2.1 塔器壁厚计算塔器壁厚计算 由参考文献8，圆筒壁厚 =， 2 ci t c PD P 封头壁厚 ： =， 故计算如下： 2 0.5 ci c PD P 已知直径=1800，设厚度为 616 ，材

50、料许用压力 =133MPa，则： i Dmmmm t 圆筒： = =1.19 2 ci t c PD P 0.15 1800 2 133 0.850.15 mm 由 GB150 查得：（双面焊对接接头，局部无损检测）85 . 0 厚度附加量 C= C + C ；C =1；C =2； 121 mm 2 mm 圆筒的设计厚度： + C =1.19+2=3.19 d 2 mm 名义厚度： + C =3.19+1=4.19 n d 1 mm 圆整得 6mm,取厚度 12mm。 有效厚度： =-C -C =122-1=9 e n 12 mm 满足厚度 616，所以符合要求。mm 由 GB150 查得：为

51、标准封头取=1，K 封头： = =1.19 0 2 0.5 ci c PD K P 0.15 1800 1 2 133 0.850.5 0.15 mm + C =1.19+2=3.19 hd h 2 mm + C =3.19+1=4.19 hn hd 1 mm 圆整得 6，取 12。mmmm 有效厚度 ，满足厚度 616，符合要求。9 21 CC hnhe mmmm 由参考文献8知，=1mm,=2mm,故封头厚度为 12mm ,圆筒厚度为 12mm。 1 C 2 C 裙座的名义厚度：，有效厚度，满足厚度 61612 ns mm1239 esns Cmm ，所以符合要求。mm 4.2.2 塔的质

52、量计算塔的质量计算 1、塔高的估算 工艺计算中我们知道，实际板数，根据后续设计可确=15Z =13Z 提精 块，块28 P N 块 定以下尺寸。因为精馏段和提馏段塔板间距，则塔的有效高度： 0.4 T Hm 0 (282) 0.4=10.4mZ 设釜液在釜内停留时间为，查表得排出釜液流量为，液相密度20min11947.46/kg h 为，则釜液的高度为： 3 809.85/kg m 22 . 4 /4 11947.46/(3 809.85 3.14 1.8 )1.93 3 h v v ZqDm 取=2mZ 将进料所在板间距增至，一般每 6-8 层塔板设一人孔（安装、检修用） ，需700mm

53、经常清洗时每隔 3-4 层块塔板处设一人孔，设人孔处的板间距等于或大于 600mm，人孔 所在板的板间距增至。根据此塔实际情况，人孔设 5 个。800mm 此外再考虑塔顶端及釜液上方的气液分离空间高度均取，裙座取，则各段1.5m4m 高度之和为 H 1.5(2825) 0.455 0.8 1.52423.15Hm (1)圆筒的质量 塔体圆筒总高度; 0 23.1540.450.218.5Hm 22 10 4 oi mDDH 钢 223 1.8241.818.5 7.85 109915.41 4 kg （2）封头质量 查得壁厚 12的椭圆形风头的质量为 357，1800,DNmmmmkg 2 3

54、57 2714mkg （3）裙座质量 因为圆筒形裙座制造方便，经济合理，一般常选用圆筒形裙座（ 1 , N Dm ） 。其参数为，按圆筒计算/12.330 N HD 1.824 ,1.8 omoi Dm Dm 22 3 4 omoiS mDDH 钢 223 =1.8241.83 7.85 102143.87 4 kg 01123 9915.41 7142143.8712773.28mmmmkg （4）人孔、法兰、接管与附属物质量 1 0.250.25 12773.283193.32 ao mmkg （5）塔内构件质量： 由表查得筛板塔盘单位质量为。 2 65/kg m 22 02 651.82

55、8 654628.99 44 iP mD Nkg （6）保温层质量 取保温层厚度 100，保温材料 300kg/ 2 m，它将包住整个塔体，所以保温层厚度mm 为 100时重量为mm 为封头保温层质量 03 m 22 0302 (2)() 4 oso mDDHh 2 2 1.8242 0.11.824(23.15 3004) 4 4193.31kg （7）平台、附体质量 22 04= +2+220.5+q 4 osoSpFF mDBDnqH 式中 2 2 1.8242 0.12 0.9(1.8242 0.1)0.5 5 15040 23.15 4 2294.26kg 为平台单位质量，为，为 2

56、3.15m，为笼式扶梯单位质量 p q 2 150/kg m F H 为扶梯高度 F q ,为平台数量。40/kg mn （8）操作时塔内物料质量 22 05= +V 44 iLPLioLfL mD h ND h 22 1.80.05 28 809.851.82 809.850.865 809.85 44 7703.44kg 封头容积，塔釜深度。 3 =0.865 f Vm=2 o hm （9）充水质量 2 0 =2 4 wiWfW mD HV 2 =1.818.5 1000+2 0.865 1000 4 =48782.9kg （10）全塔操作质量 =+ 0 m 01 m 02 m 03 m

57、04 m 05 m a m 12773.28 4628.99 4193.31 2294.26 7703.44 3193.32 34786.6kg 塔器最大质量 max01020304oVa mmmmmmm 005w mmm 34786.67703.4448986.37 76069.53kg 塔器最小质量 min01020304 0.2 a mmmmmm 12773.280.2 4628.994193.312294.263193.22 23379.87kg 表表 7 7 各塔段质量各塔段质量/kg 塔 段 号 项目123456 （kg） 01 m 53614292679.82679.82679.

58、82275.8 （kg） 02 m -1157.21157.21157.21157.2 （kg） 03 m -883.6883.6883.6883.6 （kg） 04 m 4080450.6450.6901.7331.3 （kg） 05 m -700.54840.57211132.9308.5 （kg） m 1342135.9670670670569 （kg） 0 m 7101146010681.76562.27425.25525.4 （kg） max m 71011624.519423.218558.219009.36129.9 （kg） min m 71010759.54915.44915

59、.45366.54273.14 塔段长度 /mm 100030005000500050004150 4.3 塔体强度与稳定性校核塔体强度与稳定性校核 4.3.1 塔的基本自振周期计算塔的基本自振周期计算 因为，所以不必考虑高振型影响。则塔的基本自振周期由下 23150 12.315 1800i H D 式计算： 3 0 1 3 90.3310 ei m H TH ES D 3 53 34786.6 23150 90.33 2315010 1.9 109 1800 0.55s 塔的第二振型自振周期近视取： 1 2 0.55 0.09 66 T Ts 塔的第三振型自振周期近视取： 1 3 0.55

60、 0.03 1818 T Ts 4.3.2 地震载荷计算地震载荷计算 1、地震影响系数 一阶振型地震影响系数: 查表得: （设防震烈度为 7 度，设计基本地震加速度为 0.1g）0.08 masx 表表 8 8：对应于设防烈度：对应于设防烈度值值 max 设防烈度789 设计基本地震加速度0.1g0.15g0.2g0.3g0.4g 地震影响系数最大值 max 0.080.120.160.240.32 查下表得: （类场地土，第二组0.4 g Ts 表表 9： 各类场地土的特征周期值各类场地土的特征周期值 Tg/s 场地土类别设计地震 分组IIIIIIIV 第一组0.250.350.450.65