乙醛-水精馏塔设计

1、 第1章 塔体计算1.1 设计方案的确定乙醛-水筛板连续精馏塔及其主要附属设备设计，本设计采用连续精馏流程，泡点进料。塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。该物系属于易分离物系，最小回流比比较小，故操作回流比取最小回流比的2倍。塔釜采用饱和蒸汽间接加热，塔底产品冷却后送至储罐。设计条件：气相流量；液相流量；气相密度 液相密度；物系表面张力1.2塔体工艺尺寸计算（1） 塔径的计算 由，式中C由求取，其中由史密斯关联图查取图横坐标为 0.243 取板间距HT=0.4m,板上液层高度hL=0.06m,则 查史密斯关联图得：0.050 0.05

2、8 1.346m/s取安全系数为0.7，则空塔起速为： 0.7×1.346=0.942m/s 0.612m 按标准塔径圆整后为0.9m. 塔截面积为： 0.6362 0.4354m/s1.3 塔板主要工艺尺寸的计算(1) 溢流装置计算 因为塔径， 可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。各项计算如下：堰长 0.72×0.9=0.648溢流堰高度由，选用平直堰，堰上高度由下式计算，即： 近似取E=1,则 0.017取板上清夜层高度故 0.063弓形降液管宽度和截面积：由，查弓形降液管宽度与面积关联图得： 0.09 0.146则： 0.057 0.1314 验算液体在降液管中停

3、留的时间，即： 7.86s>5s故降液管设计合理。降液管底隙的流速，则： 0.056 0.0007>0.0006故降液管底隙高度设计合理。选用凹形受液盘，深度。(2) 塔盘布置 塔板的分块。因，故塔板采用分块式。查塔板块数表（下表）得塔板分为3块边缘区宽度确定： 取： 进口安定区宽度=出口安定区宽度， 开孔区面积计算。开孔区面积计算为： 其中 0.249 0.42 故 0.7634筛孔计算及其排列，由于乙醛和水没有腐蚀性可选用碳钢板，取筛孔直径5mm。筛孔按正三角形排列，取孔中心距t为： 筛孔数目n为： 2761个开孔率为：10.1%气体通过筛孔的气速为：3.5931.4筛板的流体

4、力学验算(1) 塔板压降 干板阻力的计算。由下式： 由，查筛板塔汽液负荷因子曲线图得故 0.002液柱气体通过液层的阻力计算。气体通过液层的阻力由下式计算，即： 0.478 0.597查充气系数关联图得=0.76故 =0.76×(0.063+0.017)=0.0608液柱液体表面张力的阻力计算液体表面张力的阻力依下式计算，即： 0.0039液柱气体通过每层塔板的液柱高度按下式计算： 0.0667液柱气体通过每层塔板的压降为： 550.9<0.7(2) 液面落差 对于筛板塔，液面落差很小，且本设计的塔径和液流量均不大，故可忽略液面落差的影响。(3) 液沫夹带 液沫夹带按下式计算：

5、0.00114Kg液/Kg气<0.1Kg液/Kg气故在本设计中液沫夹带量在允许范围内。(4) 漏液 对筛板塔，漏液点气速按下式计算： 2.25m/s实际孔速>稳定系数为1.596>1.5故在本设计中无明显漏液。(5) 液泛 为防止塔内发生液泛，降液管内液层高应服从下式所表示的关系，即：乙醛水物系属一般物系，取，则： 2215液柱而 板上不设进口堰，按下式计算： 0.00056液柱 0.12806液柱，故本设计中不会发生液泛现象。1.5.塔板负荷性能图(1)漏液线由 得：在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果列于下表0.00060.00300.00450.0140.

6、01510.0180.01920.0242由上表数据可作出漏液线1(2)液沫夹带线以为限，求关系如下： 整理得在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果列于下表表1-2 液沫夹带线计算结果 0.0006 0.0030 0.014 1.529 1.358 0.892由上表数据即可作出液沫夹带线2(3)液相负荷下限线对于平直堰，取堰上液层高度=0.006作为最小液体负荷标准:据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线3(4)液相负荷上限线以作为液体在降液管中停留时间的下限 故 据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线4。(5) 液泛线令由联立解得忽略，将与，与，与的关系式代入上式，并

7、整理得：式中0.02670.146116.19将有关的数据代入整理，得在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果列于下表表1-3液泛线计算表 0.0006 0.0030 0.0045 0.014 5.352 5.207 5.107 4.106由上表即可作出液泛线5根据以上各线方程，可作出筛板塔的负荷性能图，如下图： 图1-1 筛板塔的负荷性能图在负荷性能图上，作出操作点A，连接OA，即作出操作线。由上图可看出，该筛板的操作上限为液泛控制，下限为漏液控制。由图查得： = 0.788 = 1.017故操作弹性为：/=1.29所设计筛板的主要结果汇总于下表1-4表1- 4筛板塔设计计算结果序

8、号项目数值1234567891011121314151617181920212223242526 塔径/m板间距溢流形式降液管形式堰长/m堰高/m板上液层高度/m堰上液层高度/m降液管底隙高度/m安定区高度/m边缘区高度/m开孔区面积/筛孔直径/m筛孔数目孔中心距/m开孔率/%空塔气数/(m/s)筛孔气数/(m/s)稳定系数单板压降/kPa负荷上限负荷下限液沫夹带量/(kg液/kg气)气相负荷上限/气相负荷下限/ 操作弹性 0.90.40单溢流弓形0.6480.0630.080.0120.0560.070.030.76340.00527610.01510.10.7293.5931.5960.7

9、液泛控制漏液控制0.001140.00570.000791.29第2章 塔附件设计2.1筒体与封头先按内压容器计算筒体（圆筒）及封头的壁厚，然后依据此厚度，假设塔体壁厚。再在考虑其它载荷作用的情况下，按规定依次进行强度和稳定性的校核和计算。（1）内压圆筒的计算厚度为： (3-1)式中，为20R，在150时的许用应力，查得；焊缝采用双面焊，考虑局部无损探伤，；取钢板负偏差，介质腐蚀裕量，考虑到此塔较高，风载荷较大，故适当增加壁厚。设计厚度，取名义厚度，则筒体有效厚度。（2） 封头壁厚计算采用标准椭圆封头，封头的计算厚度为 (3-2)式中 椭圆形封头形状系数，对标准椭圆形封头；焊缝系数，。为了保证

10、封头与筒体能很好满足焊接要求，取封头与筒体等厚，即，有效厚度。(3) 裙座为了操作方便，本设计采用圆筒形裙座由于裙座内径>800mm，故裙座壁厚取10mm基础环内径：基础环外径：圆整 基础环厚度，考虑到腐蚀余量取18mm 考虑到再沸器，裙座高度取3m， 地角螺栓直径取M30 第3章 塔体强度设计3.1 塔的质量载荷的计算3.1.1、筒体圆筒、封头、裙座质量 筒体高度： 查得DN=900mm，厚度6mm的圆筒质量为134kg/m 查得DN=900mm，厚度6mm的椭圆形封头质量为43.97kg 圆筒质量： 封头质量： 裙座质量：401.98所以 3.1.2 塔内构件质量 查表得筛板塔盘质量

11、为75 3.1.3 保温层质量由于价格便宜，较易制造，选用膨胀珍珠岩（二级）作为保温层材料。其密度为100kg/m3,导热系数为0.050kcal/m.h.采用直接涂抹式保温法。因为半径大于1000mm，操作温度小于150，保温层厚度选为60mm。 3.1.4平台、扶梯的质量平台数量：由表查得：平台质量：笼式扶梯质量：笼式扶梯高度： 3.1.5 操作时塔内物料质量 物料的平均密度 封头的容积 塔釜圆筒部分深度 所以 3.1.6 人孔，接管，法兰等附件质量 按经验取附件质量为： 3.1.7 充水质量 3.1.8 偏心质量 为再沸器的质量 3.1.9 各种质量载荷汇总全塔的操作质量：全塔最小质量：

12、水压试验时最大质量：将全塔分为五段，计算下列各质量载荷，如下表所示。表3-1 质量载荷汇总塔段011223344顶人孔与平台数00112充液0154015205.3115205.3118931.07塔体5451528218021802932内件00199619961995保温层046171.908171.908242.6197物料01387.6128083.4081918.0971198.811附件136.25382733545545偏心0014003019.203.2自振周期的计算 分析塔设备的振动时，一般情况下不考虑平台与外部接管的限制作用以及地基变形的影响，而将塔设备看成是顶端自由，底端

13、刚性固定，质量沿高度连续分布的悬臂梁。设计温度下的弹性模量 自振周期 3.3地震载荷与地震弯矩的计算由于该地区地震周期大，震级较小，所以不与进行地震载荷和弯矩校核。3.4风载荷与风弯矩的计算 塔设备受风压作用时，塔体会发生弯曲变形，吹到塔设备迎风面上的风压值，随塔设备高度的增加而增加。为了计算简便，将风压值按塔设备高度分为几段，假设每段风压值各自均匀分布于塔设备的迎风面上。塔设备的计算截面选再其较薄弱的部位。分别为塔底部截面00，裙座上人孔截面处，塔体与裙座连接焊缝处。3.4.1 水平风力两相邻计算截面间的水平风力按下式计算： 当笼式扶梯与塔顶管线布置成90度时，取下列两式中较大者。其中当塔高

14、时，取当笼式扶梯的当量宽度无确切数据时，各计算段的外径 塔顶管线外径 管线保温层厚度 体型系数 该地区10m高出的风压值250由查表得，脉动增大系数 塔顶与塔底得有效直径之比：计算结果列于下表：表14 风载荷计算数据汇总塔段011223344顶计算段的长度10002000400040005000平台数00112各段平台构件的投影面积009000009000001800000操作平台当量宽度00450450720各计算段的有效直径2785278532353235350527402740319031903460有效直径（取较大值）27852785323532353505各计算段顶截面距地面的高度1

15、271116风压高度变化系数0.80.80.881.0281.162脉动影响系数(B)类0.720.720.720.7850.810.06250.1250.43750.68751第i段振型系数0.020.03250.281250.5851各计算段的风振系数1.71.71.71.71.7各计算段的水平风力927.9621855.9244742.7695540.4168481.627所以：0-0截面的风弯矩： 11截面的风弯矩： 22截面的风弯矩： 3.5偏心弯矩的计算当塔设备的外侧悬挂有再沸器时，将其视为偏心载荷。由于有偏心距e的存在，偏心载荷在塔截面上引起偏心弯矩。偏心载荷引起偏心弯矩沿塔高无

16、变化。 由再沸器的设计可得 偏心质量： 偏心距： 3.6最大弯矩的计算 塔设备任意计算截面I-I处得最大弯矩按下式计算： ，取其中较大者塔设备底部截面00处得最大弯矩按下式计算： ，取其中较大者计算结果列于下表：表3-2 最大弯矩计算结果汇总0-0截面11截面22截面4.53424.18763.5049最大弯矩4.53424.18763.50493.7圆筒轴向应力校核和圆筒稳定校核1、圆筒轴向应力由内压和外压引起的轴向应力： 截面00 截面11 截面22 =其中设计压力p取绝对值。操作或者非操作时重力及垂直地震力引起的轴向应力： 其中仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入此项。由于地震弯矩参与了

17、最大弯矩组合。所以截面00 截面11 截面22最大弯矩引起的轴向应力： 则 截面00 截面11 截面22 2、圆筒稳定校核根据塔设备在操作时或非操作时各种危险情况对、进行组合，求出最大组合轴向压应力，并使之等于或小于轴向许用压应力cr。载荷组合系数 系数查A-B关系图，得到Q235-A在150度时设计温度下的材料的许用应力许用轴向压应力 （取以上两值中的较小值）圆筒的最大组合应力：00截面 满足要求11截面 满足要求22截面 满足要求圆筒的最大组合拉应力00截面 满足要求11截面 满足要求22截面 满足要求3.8压力试验时的应力校核 选定的危险截面为22截面。试验介质的密度：水的密度为液柱静压

18、力为 22截面处的最大质量 试验压力 筒体的常温屈服点 22截面中 压力试验时的圆筒材料许用轴向压力：（取以上两者中较小值）试验压力引起的周向应力： 液压试验时：（满足要求） 试验压力引起的轴向应力： 重力引起的轴向应力： 弯矩引起的轴向应力： 压力试验时圆筒最大组合应力： 满足要求 满足要求3.9裙座轴向应力校核 圆筒型裙座轴向应力校核首先选取裙座危险截面。危险截面的位置，一般取裙座底截面00截面，以及裙座检查孔和较大管线引出孔11截面处。再按照裙座有效厚度验算危险截面的应力。3.9.1裙座底截面的组合应力裙座底截面的组合应力按下式进行校核： 取其中较小值其中仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入此项。 取其中较小值式中 裙座底部截面积， 裙座圆筒和锥壳的底部截面系数，裙座有效厚度：裙座筒体内径：00截面积 00截面系数 裙座的许用轴向应力：00截面的组合应力： 2、裙座检查孔和较大管线引出孔截面处组合应力 裙座检查孔和较大管线引出孔11截面处组合应力按下式校核： 取其中较小值其中： 本设计中检查孔加强管长度检查孔加强管水平方向的最大宽度检查孔加