《年产量2.5万吨的乙烯精馏塔设计》6600字

年产量2.5万吨的乙烯精馏塔设计摘要在化工生产中过程，精馏过程是一种比较常见的操作过程。精馏是利用物料中液态混合物中存在挥发度不同的各个组分，达到轻重组分分离的目的。而精馏操作是通过分离提纯或者回收混合物的方式从目标液态混合物中获取所需的组分。本项目毕业设计的精馏塔为2.5万吨/年乙烯精馏塔,在本项目毕业设计中主要为三个大部分的设计内容:第一个组成部分主要进行了工艺计算,第二个组成部分进行了强度和稳定性计算与校核,第三个组成部分则进行了吊住物料的强度计算。第一部分主要进行了物料衡算，塔温、塔板若干层数塔径的测量,确定塔内物件的制造工艺大小和尺寸,附属装置的选择等。第二个部分主要为塔体的强度和稳定性的计算与校核,在这一部分中我们计算得出了塔体各个组成部分的质量,同时还需要对塔体的三个最危险横截面部分进行校核,还有一些质量载荷,风载荷和地震载荷的测量与计算,以及一些补强测量的计算。第三部分为吊装时的强度计算,即对吊柱上的载荷力进行强度计算并对其进行校正考核。关键词：板式塔;精馏设备;填料塔TOC\o"1-3"\h\u12593引言 1243531工艺计算 2236441.1物料衡算 2118971.1.1塔顶产品量 2322281.1.2塔釜,塔顶流量及组成 253241.2确定塔温 4320771.2.1塔釜温度的确定 4179321.2.2塔顶温度的确定 418471.2.3进料温度 5191851.3塔板数的计算 576221.3.1确定最小回流比 5287131.3.2确定最小理论板数 6270181.3.3确定理论板数 6307821.3.4实际塔板数 7139021.3.5确定进料板位置 7280441.4塔径计算 891421.4.1精馏段塔径 874151.4.2提馏段塔径 1240041.5塔内物件的工艺尺寸 13182431.5.1溢流程数的选择 13124501.5.2校核溢流强度 13179811.5.3塔堰高的确定 13186791.5.4降液管面积 1330921.5.5校核液体在降液管内停留时间 14243371.5.6降液管下端距塔盘的距离 14221611.5.7浮盘数 1436731.5.8塔盘的布置 15320252强度及稳定性计算 15234862.1圆筒和封头的厚度和强度计算 15142282.2载荷的计算 1649782.2.1质量载荷的计算: 16280772.2.2塔的自振周期 1886192.2.3地震载荷及地震弯矩的计算 18228002.2.4风载荷和风弯矩计算： 2098412.3应力校核 23231802.3.1圆筒应力校核： 23175902.3.2裙座壳轴向应力校核： 2485082.4基础环结构设计及校核 25284882.4.1基础环 25317972.4.2地脚螺栓计算： 26190532.4.3肋板计算： 27128602.4.4盖板计算： 27120572.5补强计算 28226752.5.1塔顶蒸汽出孔 2813152.5.2人孔的补强计算 29104722.5.3进料管接管补强 3150993吊柱的强度计算 3261093.1设计载荷 3295403.2曲杆部分的校核 32145423.3柱的校核 3429858参考文献 3529087ABSTRACT 36引言精馏过程主要是石油化工和天然气等化学品工业中使用最多的传质单元运算过程,也可以说是石油化工技术领域中使用耗能最高的传质单元运算过程之一REF_Ref24662\r\h[1]。精馏同时又是对乙烯原料生产的重要一个处理工序,在乙烯原料的生产中已经占据了重要的地位,REF_Ref24714\r\h[2]。精馏塔是石油化工生产中应用极为广泛的一种传质传热装置，同时也是一种进行精馏的塔式气液接触装置，是利用混合物中各组分具有不同的挥发度，即利用在同一温度下各组分的蒸气压不同的这一性质，来使液相中的轻组分(低沸物)转移到气相中，而气相中的重组分(高沸物)则会转移到液相中，从而实现分离的目的REF_Ref24796\r\h[3]。而现阶段，国内外的研究主要聚焦于新型高效性能塔板的开发及工业应用；然而塔板设计、开发则更趋于科学化的方向。在填料塔研究方面，更倾向于不断研究出新型、高效的填料来提高填料塔的效能。随着时代的发展，国内外对精馏塔的研究更趋向于经济、安全、高效、清洁方向的发展，推动精馏设备的前进和发展。精馏塔设备在生产过程中需要维持一定的压力、温度和规定的气液流量等工艺必须条件。精馏塔设备的性能对产品的质量、产量、原材料消耗和三废处理以及环境保护等，都有重要的影响及意义，更是化工生产过程中必不可少的REF_Ref24845\r\h[4]。本次乙烯精馏塔工程设计的研究方法主要目的就是通过结合工程设计的内容及所需要的设计技术条件,参读有关乙烯精馏塔工程设备的相关资料,按照工程技术要求对其进行设计并在正常工艺设计流程的基础上，更加注重设计细节和设计质量。通过严格计算来进行乙烯精馏塔的结构设计，以便于更好的进行塔的选型，整体设计不仅满足给定的工艺要求，还综合考虑操作环境、设备费用等其他因素的影响。在维护绿色能源为主要地位的当今社会，设计出一款科学合理、安全可靠的乙烯精馏塔至关重要。1工艺计算1.1物料衡算1.1.1塔顶产品量本精馏塔设计全年工作时长为24小时×300天=7200小时即按工作7200小时/年考虑则摩尔流量():1.1.2塔釜,塔顶流量及组成表1进料各组分组成及性质组分沸点-103.7℃-88.6℃-47.7℃-161.5℃分子量28.0530.0742.0816.04组成0.889890.098430.005100.00658选择的轻关键组分是，选择的重关键组分是，是比沸点低的轻组分，是比沸点高的重组分，由于两关键组分挥发度相差较大，而且两关键组分是相邻组分，为了更好的了解分割情况，丙烯是比重关键组分还重的组分，且在塔顶是不出现的，是比轻关键组分还轻的组分，且在塔顶是不出现的REF_Ref26122\r\h[5]。这样的塔顶馏出液是由、及少量组成，塔釜馏出液则是由、及少量组成。规定：塔顶含量<0.01塔釜含量<0.03即=0.001,=0.003表2产品流量表C2H4∑进料量KMol/h88．9899．8430．5100.658100塔顶产品流量KMol/h89-0．003w0.001w00.658D塔釜产品流量KMol/h0.003w9.843-0.001w0.5100W全塔内对乙烯进行物料衡算： （1-1） （1-2）由公式（1-1）（1-2）解得则塔顶与塔釜的摩尔分率及摩尔流量列于表3表3塔顶与塔釜的摩尔分率及摩尔流量组分∑塔顶产品摩尔流量123.790.129600.9474124.867组成0.9920.00099900.00731塔底产品摩尔流量0.0452814.1560.7402014.9424组成0.003030.94740.04954011.2确定塔温1.2.1塔釜温度的确定查P-T-K图，计算 （1-3）假设泡点温度为20℃则可查烃类P-T-K图可得、、、得SKIPIF1<0依次为20.5,16,4.6,7.6由公式(1-3)得说明此泡点温度过高。则假定温度为-10OC由公式(1-3)得则假定温度为-2OC由公式(1-3)得所以：塔釜温度为-2OC1.2.2塔顶温度的确定采用全凝器。采用P-T-K图查出值计算塔顶温度 (1-4)假设露点温度为-20℃由公式(1-4)得说明此温度偏高假设露点温度为-25℃：由公式(1-4)得试差法：所以：塔顶温度为-24OC1.2.3进料温度查P-T-K图，计算假设泡点进料且温度为-20℃由公式(1-4)得说明此进料温度过高假设进料温度为-23℃由公式(1-4)得所以：进料温度为-23OC对塔的各部位温度列于下表中表4塔的温度列表塔底塔顶进料-2℃-24℃-23℃1.3塔板数的计算1.3.1确定最小回流比假定塔内各组分的相对挥发度恒定，且为衡分子流，由恩德无德公式视差求。 （1-5） （1-6）式中：,,——进料中A，B，C组分的分子分数；，，——塔顶组分A，B，C组分的分子分数；——进料热状态参数。泡点进料，;有关数据及列表如下：表5组分∑XF0.8840.098430.00510.006581XP0.9920.00099900.00731KI1.010.6820.1795.051.4810.267.4将数据带入公式（1-5）式中：试取计算：，内插法得，将带入公式（1-6）中，求得,解得：取回流比1.3.2确定最小理论板数理论回流比可取为1.5=3.261.3.3确定理论板数则理论板层数由芬斯克方程求REF_Ref27631\r\h[6] （1-7）由公式（1-7）得31.256SKIPIF1<0=0.3469查吉利兰图得SKIPIF1<0=0.36解得N=43.2取44块（不包括再沸器）所以：理论塔板数为44块。1.3.4实际塔板数塔顶，塔釜的平均温度T=-13℃查烃类P-T-k图，得平衡常数：KC2H4=1.455,KC2H6=0.839——相对挥发度为：SKIPIF1<0=1.7432=0.88989×0.07+0.09843×0.07+0.0051×0.0051+0.00658×0.02=0.06999解得=0.822所以：实际板数取55块1.3.5确定进料板位置精馏段板数 （1-8）提馏段板数 （1-9） m+n=54 （1-10）（注SKIPIF1<0为轻关键组分对重关键组分相对挥发度，取塔顶、进料、塔釜三处得几何平均值REF_Ref27474\r\h[7]）由公式（1-8）（1-9）（1-10）得1.6421.732则=21.87取22块则提馏段板数为=54-32=321.4塔径计算1.4.1精馏段塔径a)气液相负合及重度精馏段以塔顶为计算基准，表6塔顶各组分得临界性质列组分%（分子）（SKIPIF1<0）×%（分子）SKIPIF1<0×%（分子）分子量MM×%（分子）0.99250.4830.076282.9280.628.0527.80.00099948.290.0482`305.330530.070.070.007345.790.334190.91.3910.040.117合计1——50.46——282.3——27.947对比压力：0.42对比温度：0.882查得压缩系数Z=0.75塔顶上升蒸汽量：G=VD=（R+1）D=571kmol/h体积流量：SKIPIF1<0416.4立方米/小时塔顶上升蒸汽重度：=38.32kg/m3表7进料各组分得临界性质组分%（分子）SKIPIF1<0（）×%（分子）×%（分子）分子量MM×%（分子）0．8898930．4844.922282.9251.7528.0524.960.0984348.294.75305.330.0530.072.960.005145.370.23364.91.8644.090.2150.0065845.790.3190.91.2616.040.11对比压力：0.418对比温度：0.872查得压缩系数Z=0.691体积流量：SKIPIF1<00.107M3/S精馏段气相负合：0.113M3/S组分%（分子）（）×%（分子）TSKIPIF1<0×%（分子）分子量MM×%（分子）0．0030350．480．153282．90．85728．050．0850．987048．5645．87305．8289．630．928．450．0495645．76190．8305.3281.425530.0727.7185045.37——190．9——16．04——表8塔底各组分的界性质对比压力：0.436对比温度：0.879查得压缩系数Z=0.70上升蒸汽量：G=VD=（R+1）D=（3.26+1）×124.849=571公斤/小时体积流量：SKIPIF1<0422.9立方米/小时查《轻碳氢化合物数据手册》图2-15、2-17得各组分重度；表9塔顶各组分重度组分重度0．4250．465——0表10进料各组分重度组分重度0．4210．4620．54——表11塔釜各组分重度组分重度0．350．4270．555——塔顶各组分质量流量百分比：=0.928=0.001=0.0042 （1-11）由公式（1-11）解得=0.4575塔底各组分质量流量百分比：0.00276=0.9363=0.0712同理可得=0.4339则精馏段液相重度445.5kg/m3液相负荷SKIPIF1<0=26.95m3/h动能参数=0.2236取板间距=0.4m塔板上清液层高度为=0.07m查史密斯关联图得=0.05查《轻碳化合物》图4-1、4-2得表面张力表12混合液的表面张力03.486.2113.6SKIPIF1<0=0.9916×3.6+0.001×6.2=3.46由式得=0.0352塔顶最大空塔速度==0.1136m/s空塔气速W=0.7×=0.7×0.1142=0.0795m/s精馏段塔径D=SKIPIF1<0=1.335m取精馏段塔径D=1.4m精馏段实际空塔气SKIPIF1<0=0.072m/s相应的空塔动能因数为=0.072×SKIPIF1<0=5.61.4.2提馏段塔径提馏段气象重度=43.52提馏段液相重度=430.69提馏段液相负荷SKIPIF1<0=0.1121m3/s则提馏段气相负荷：查史密斯关联图得SKIPIF1<0=0.045查《轻碳化合物》图4-1、4-2得表面张力=1.21=3.59=10.49混合液的表面张力SKIPIF1<0=3.925SKIPIF1<0SKIPIF1<0=0.0325最大空塔速度:==0.0969空塔气速：W=0.7×=0.0678m/s提馏段塔径SKIPIF1<0=1.45;取塔径1.4m馏段实际空塔气SKIPIF1<0’=0.073m/s1.5塔内物件的工艺尺寸1.5.1溢流程数的选择根据塔径1.4米，液相负荷30～40m3/h，查《有机化合物》表9-5可知选单流型即可满足要求。采用工型浆液板，分块式塔盘REF_Ref27062\r\h[8]。1.5.2校核溢流强度堰长：=0.7×D=0.7×1.4=0.98m精馏段校核：提馏段校核：1.5.3塔堰高的确定——塔板上清液层高度;——出口堰高度——堰上清液层高度精馏段：=0.03459提留段：’=0.0371.5.4降液管面积查《浮阀塔》表3-3知SKIPIF1<0=0.143SKIPIF1<0=0.0878塔板面积=1.54㎡堰宽=0.143×1.4=0.2m溢流面积SKIPIF1<0=0.878×=0.1385㎡1.5.5校核液体在降液管内停留时间精馏段提馏段降液管出口处的流体流速：精馏段：Ud=0.054m/s;提馏段：Ud’=0.77m/s1.5.6降液管下端距塔盘的距离降液管下端出口处的流速一般取0.07~0.25m/s可取0.2m/sSKIPIF1<0精馏段提馏段取距离为：h=0.05m1.5.7浮盘数采用F-1重阀,阀孔直径为39。精馏段临界阀孔气速：1.387m/s提馏段临界阀孔气速:SKIPIF1<01.326m/s开孔率SKIPIF1<0×100%=5.2%阀孔总面积：精馏段：提馏段:精馏段阀数:67个提馏段阀数:70个精馏段与提馏段取相同的阀孔数：为68个。1.5.8塔盘的布置安定区=0.06m;无效区=0.05m按照等边三角形叉排列则中心距t=105mm.2强度及稳定性计算2.1圆筒和封头的厚度和强度计算圆筒和封头材料选用16MnDR,许用应力=163mpa.圆筒计算厚度: （2-1）其中：——计算压力，=1.1P=1.3mpa；——焊接接头系数，取1；按GB709-65,钢板厚度负偏差C1=1mm，腐蚀余量取1mm；=2.3×1.4/2×16381-0.3=9.95mm取钢板名义厚度=12mm.封头厚度计算:标准椭圆封头K=1;由公式（2-1）得=9.91mm取钢板名义厚度=12mm.液压实验校合：=1.25×163=2032.2载荷的计算2.2.1质量载荷的计算:H=53×0.4+4×0.3+1.6+2+1.5+3=30.1m塔壳和裙座的质量人孔、法兰、接管等附件质量:=0.25kg.=2873kg.内构件质量=π/4×1.42×55×75=6235kg.（单位面积重75㎏）保温层质量=π/4[(1.4+0.012×2+0.2)2-(1.4+0.012×2)2]×27×45=582kg.平台、扶梯质量：=40×30+π/4[(1.63+0.05×2+1.2×2)2-(1.63+0.05×2)2]×150×6×1/2=1200+49681.1=3924kg.操作时塔内物料质量=π/4×1.42×0.07×450×55=3670kg.充水质量=π/4×1.42×27×1000=38484kg.塔器的操作质量=32765kg.塔内的最大操作质量=47592kg.塔内的最小操作质量=24107kg.将塔沿高度分成5段，每段高为6m，其质量列入表14中。图1表14组号12345614364143641436414364143641436445015951595159515951595366879880880880880150943943943943943150880880880880880150092469246924692469246140078417841784178417841200011398113988063.911398113981000577757775777577757772.2.2塔的自振周期 （2-2）其中15-0.25-1.2=13.55mm由公式（2-2）得=90.33×30000（36789.5×30000/2×105×13.55×14003）1/2×10-3=1.4s2.2.3地震载荷及地震弯矩的计算表15地震力和地震弯距塔段号项目12345操作质量kg14007841784178417841集中质量距地高度300090001500021000270005．224．656．994137727．52．07×1054．468×1057．37×10510．74×1050．378×10554．7×105254×105693×1051410×1052．464×1062．4117×107=0.0530.2690.5810.961.40.5塔段号项目123450.14653.15103262539078600.295224573.570512.54200695491.16×10^51.62×10^52.08×10^5SKIPIF1<05.603×10^8SKIPIF1<0527.687531.46×2.04×2.6×159×1.34×4.83×1.11×2.09×SKIPIF1<03.82×=28.045>15须考虑高振型影响。SKIPIF1<0=1\*ROMANI-=1\*ROMANI截面地震弯矩：SKIPIF1<0Ⅱ-Ⅱ截面地震弯矩：SKIPIF1<02.2.4风载荷和风弯矩计算：将塔沿高分成6段（如图2所示）图2表16塔段号项目123456塔段长度m0—55—1010—1515—2020—2525—30SKIPIF1<0441N/m2SKIPIF1<00.7SKIPIF1<0（B类）3.086SKIPIF1<0（B类）0.720.720.790.790.850.85SKIPIF1<00.05460.2750.360.5720.791SKIPIF1<00.811.141.251.7151.8SKIPIF1<01.151.611.772.122.212.46塔段号项目123456SKIPIF1<0mm500050005000500050005100SKIPIF1<0mm400SKIPIF1<0mm500SKIPIF1<0mm2324SKIPIF1<0330057757238950513596158840-0截面风弯矩:Ⅰ—Ⅰ截面风弯矩：SKIPIF1<0=2\*ROMANII-=2\*ROMANII截面风弯距2.2.5最大弯矩塔底部见面0—0处： 取其中较大值 （2-3）由公式（2-3）得SKIPIF1<0由公式（2-3）得SKIPIF1<0Ⅰ—Ⅰ截面:由公式（2-3）得SKIPIF1<0=2\*ROMANII-=2\*ROMANII截面由公式（2-3）得SKIPIF1<02.3应力校核2.3.1圆筒应力校核：验算塔壳Ⅱ—Ⅱ截面处操作时和压力实验时的强度和稳定性表17计算截面Ⅱ—Ⅱ计算截面以上的塔操作质量31300计算截面的横截面积SKIPIF1<048380塔壳有效厚度SKIPIF1<011mm计算截面的截面系数SKIPIF1<01.692×最大弯矩8.82×许用轴向压应力SKIPIF1<0取小值（k取1.2）192Mpa许用轴向拉应力195.6Mpa操作压力引起轴向拉应力SKIPIF1<066.8MPa重力引起轴向应力SKIPIF1<06.34MPa弯矩引起的轴向应力SKIPIF1<052.5Mpa轴向压应力SKIPIF1<06.34+52.5<192组合拉应力SKIPIF1<066.8-6.34+52.5<192SKIPIF1<0+液柱静压力（SKIPIF1<026.88Mpa液压试验时计算截面以上的塔的质量SKIPIF1<02975kg许用轴向压应力SKIPIF1<0取小值192Mpa许用轴向拉应力SKIPIF1<0340.2许用周向应力SKIPIF1<0283.5Mpa周向应力压力引起的轴向应力SKIPIF1<083.5Mpa重力引起的轴向应力SKIPIF1<013.8Mpa弯矩引起的轴向应力SKIPIF1<015.75Mpa轴向压应力SKIPIF1<029.55<168组合拉应力SKIPIF1<085.45<1762.3.2裙座壳轴向应力校核：a、0—0截面裙座壳为圆筒形材料为计算系数：查得B=160MpaSKIPIF1<0该塔由风弯矩控制所以SKIPIF1<0不计底部截面积：SKIPIF1<0底部截面系数：SKIPIF1<0SKIPIF1<0取195.6MpaSKIPIF1<0SKIPIF1<0取19.56MpaSKIPIF1<0b、管线因出口Ⅰ—Ⅰ截面处的组合应力：SKIPIF1<0SKIPIF1<0截面系数：应力校核：即：2.4基础环结构设计及校核2.4.1基础环基础环外径：SKIPIF1<0基础环内径：SKIPIF1<0SKIPIF1<0SKIPIF1<0SKIPIF1<0SKIPIF1<0SKIPIF1<0查表得：SKIPIF1<0SKIPIF1<0所以：基础环的厚度：SKIPIF1<0取SKIPIF1<02.4.2地脚螺栓计算：地脚螺栓承受的最大拉应力：SKIPIF1<0得地脚螺栓螺纹小径计算：SKIPIF1<0腐蚀余粮取3mm.材料Q235A.选用螺栓M36×4则地脚螺栓M36×4，共16个SKIPIF1<02.4.3肋板计算：一个地脚螺栓所承受的最大拉力：SKIPIF1<0肋板细长比：SKIPIF1<0临界细长比：SKIPIF1<0故SKIPIF1<0肋板许用压应力：SKIPIF1<0其中：SKIPIF1<0则SKIPIF1<0肋板压应力：SKIPIF1<0所以：SKIPIF1<02.4.4盖板计算：盖板为有垫板的环形盖板SKIPIF1<0式中：SKIPIF1<0；SKIPIF1<0；SKIPIF1<0；SKIPIF1<0;SKIPIF1<0最大应力：SKIPIF1<0所以：SKIPIF1<0盖板厚度16mm，垫板厚度22mm裙座与塔壳对接连接焊逢校核：SKIPIF1<0即焊逢验算合格。2.5补强计算2.5.1塔顶蒸汽出孔接管的材料为20#钢，壳体材料为16MnDRREF_Ref26902\r\h[9]强度削弱系数：SKIPIF1<0（1）所削弱面积：SKIPIF1<0其中SKIPIF1<0为开孔出计算厚度，封头为标准椭圆形封头SKIPIF1<0接管的有效厚度:开口直径：所以：（2）有效补强范围a、有效宽度取大值B、有效高度 外侧有效高度：取最小值内侧有效高度: 取最小值(3)有效补强面积封头多余金属面积接管的计算厚度接管区焊缝面积:有效补强面积:另外所须补强面积:根据公称直径,采用补强圈补强.2.5.2人孔的补强计算人孔筒节的材料为16MnDR，壳体材料为16MnDR强度削弱系数:（1）所削弱面积：SKIPIF1<0其中SKIPIF1<0为开孔出计算厚度，筒壳的厚度接管的有效厚度:开口直径：所以：（2）有效补强范围a、有效宽度SKIPIF1<0取最大值b、有效高度 外侧有效高度：取最小值内侧有效高度: 取最小值(3)有效补强面积筒体多余金属面积:接管的计算厚度接管多余金属面积：接管区焊缝面积:有效补强面积:另外所须补强面积:根据公称直径DG450,采用补强圈补强.