畢業(yè)設(shè)計簡介

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上2750噸/年糠醛精餾裝置設(shè)計過程裝備與控制工程 閆浩 指導教師 姜峰 副教授 賈小兵 高工摘 要本設(shè)計為糠醛-水二元物系精餾裝置的設(shè)計，包括精餾塔和全凝器兩部分。根據(jù)給定的設(shè)計任務，確定設(shè)計方案，進行精餾塔的設(shè)計，包括工藝計算、塔板設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、強度設(shè)計和穩(wěn)定性校核。并進行附屬設(shè)備全凝器的設(shè)計，主要含工藝計算和機械設(shè)計。最后完成設(shè)備的性能及安全性評價。關(guān)鍵詞：精餾塔；全凝器；工藝計算；機械設(shè)計AbstractThe design is a distillation unit about furfural water system, which includes t

2、wo parts: a distillation columns and a full condenser. According to the given design task, we determine the designing scheme and conduct the design of the distillation column, the design includes process calculation, tray design, structural design, check of strength and stability . In addition, the

3、full condenser is an ancillary equipment of distillation, and its design is necessary. This design contains process calculation and mechanical design. Finally, we finish the performance of the equipment and safety evaluation.Key words: distillation columns; full condenser; process calculation; mecha

4、nical design一、緒論精餾是石油及化學工業(yè)生產(chǎn)中最常見的單元操作，它利用液態(tài)混合物中各組分揮發(fā)度的不同實現(xiàn)分離，從而達到液態(tài)混合物的分離提純或回收混合物中有用組分的目的。實現(xiàn)精餾分離過程必須有精餾裝置，包括精餾塔、換熱器、流體輸送機械、管道等。精餾操作既可采用板式塔，也可采用填料塔，本設(shè)計選用板式精餾塔。（一） 確定設(shè)計方案表1 設(shè)計參數(shù)表 產(chǎn)量2750噸/年壓力常壓原料液濃度6%（質(zhì)量分率）飽和液體進塔塔頂餾出液濃度35%（質(zhì)量分率）塔底殘液濃度0.2%（質(zhì)量分率）（1）根據(jù)設(shè)計任務，本設(shè)計精餾過程操作壓強為常壓精餾，可達到分離要求。（2）塔板類型。浮閥塔板具有結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，

5、造價低等優(yōu)點，且開孔率大，生產(chǎn)能力大，閥片可隨氣流量大小上下浮動，故操作彈性大，氣液接觸時間長，因此塔板效率較高，本設(shè)計采用浮閥塔盤。（3）進料方式及狀態(tài)。采用泵直接加料，結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便。進料狀態(tài)為泡點進料。（4）加熱及冷卻方式。原料液用蒸氣預熱到泡點，再沸器采用間接蒸氣加熱，全凝器采用循環(huán)水為冷卻劑。（5）回流方式?；亓鞣绞椒譃橹亓亓骱蛷娭苹亓鳎瑸榱吮阌跈z修和清理，且減小偏心彎矩，全凝器不適宜塔頂安裝，故采用強制回流。（二）工藝流程糠醛和水原料液經(jīng)預熱器預熱至泡點連續(xù)進入精餾塔內(nèi)，塔頂蒸氣經(jīng)全凝器冷凝到飽和液體后，一部分餾分回流，其余部分經(jīng)冷卻器冷卻進入分離罐，然后作為產(chǎn)品采出。塔底液

6、一部分經(jīng)塔釜再沸器氣化后回到塔底，一部分釜液連續(xù)采出。進料和回流的輸送采用離心泵。流程如下：圖1.精餾裝置設(shè)計工藝流程圖二 精餾塔的設(shè)計（一）精餾塔的工藝設(shè)計精餾塔的工藝設(shè)計主要包括工藝計算、塔板的流體力學驗算、繪制塔板負荷性能圖、接管尺寸的確定。其中工藝計算為：精餾裝置的物料衡算；糠醛-水物性參數(shù)的確定；塔板數(shù)的確定；板式精餾塔塔體的設(shè)計；板式精餾塔塔板的設(shè)計。（1）塔板數(shù)的計算采用圖算法。恒摩爾流假設(shè)：氣液兩相在塔板上充分接觸、傳質(zhì)，離開塔板的氣液兩相達到平衡；從每層板上升的蒸氣摩爾流率均相等，下降的液體摩爾流率也相等（由于加料板有物料進入，精餾段與提餾段的液體或蒸氣摩爾流率一般不相等）。

7、成立條件：各組分的摩爾氣化潛熱相等；氣液接觸時因溫度不同而交換的顯熱可以忽略；塔設(shè)備具有良好的保溫，熱損失可以忽略。通過查表和計算，本設(shè)計滿足恒摩爾流假設(shè)，故可采用圖算法進行塔板數(shù)的計算。（2）板式精餾塔塔徑的計算采用根據(jù)適宜的空塔氣速求塔徑的方法，所得到的塔徑按塔徑系列標準圓整。塔高的計算要考慮塔板間距，塔頂空間高度，塔底空間高度。其中塔底空間高度取1m左右，塔底空間高度取5min塔底液停留時間所對應的高度。（3）板式精餾塔塔板的設(shè)計。塔板主要由降液管、溢流堰、開孔區(qū)、安定區(qū)、邊緣區(qū)等組成。其結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)包括塔徑D，溢流堰堰長lw、溢流堰高度hw、弓形降液管寬度bd及截面積Ad、降液管底隙

8、高度hb，出口安定區(qū)寬度bs，邊緣區(qū)bc、開孔區(qū)面積Aa、開孔個數(shù)n、孔中心距t等。精餾段塔板流型選用單流型、弓形降液管、齒形堰、平形受液盤、不設(shè)進口堰。提餾段選用單流型、弓形降液管、平直堰、平形受液盤、不設(shè)進口堰。通過分析和調(diào)整以上各參數(shù)，從而獲得最優(yōu)的塔板負荷性能圖，使塔具有較大的操作彈性和穩(wěn)定裕度。（二）精餾塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)工藝計算結(jié)果，進行塔設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計。主要由以下幾個部分組成：（1）塔體。由于塔的內(nèi)徑D=800mm，可將塔體分成若干段，各段之間用法蘭連接。（2）內(nèi)件。塔盤及支撐連接件屬于塔內(nèi)件。塔盤主要由塔盤板，塔盤圈，溢流堰及降液管等組成。由于塔徑小于等于800mm，采用整塊式塔

9、盤。每個塔節(jié)中安裝一定數(shù)量的塔盤，塔盤間采用定距管結(jié)構(gòu)固定。（3）支座。塔底采用圓筒形裙座支撐，結(jié)構(gòu)性能好，連接處產(chǎn)生的局部應力較小。裙座與塔體的連接采用對接焊接，對接焊縫受壓，可承受較大的軸向力。裙座設(shè)置排氣孔，用于排出積聚在裙座和塔底封頭之間的逸出氣體。此外，裙座上開設(shè)A型檢查孔，以方便檢修。（4）附件。塔設(shè)備附件包括接管、人孔、扶梯平臺、吊柱、保溫圈等。本設(shè)計屬于小直徑塔，不開設(shè)人孔。由于塔體采用分段法蘭連接，故不設(shè)置扶梯平臺、吊柱及包溫圈。接管部分：進料管與回流管選用直管可拆結(jié)構(gòu)。氣體進出口管采用直管固定式結(jié)構(gòu)，氣體進口管內(nèi)伸，設(shè)置斜切口改善氣體分布。塔底出料管選用彎管出料。（三）精餾

10、塔的強度設(shè)計和穩(wěn)定性校核塔設(shè)備的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后，必須進行強度和穩(wěn)定性計算，以確定塔體、裙座的壁厚，使其滿足強度、剛度和穩(wěn)定性要求。由于塔設(shè)備至于室外，塔體除承受操作壓力外，還承受著各種質(zhì)量載荷、地震載荷、風載荷等聯(lián)合作用。因此，單純根據(jù)設(shè)計壓力確定的塔體壁厚，不足以保證塔設(shè)備的安全運行，尚需按各種工況，對設(shè)備在多種載荷聯(lián)合作用時的強度和穩(wěn)定性進行校核。最后設(shè)計計算裙座、基礎(chǔ)環(huán)和地腳螺栓等。1.設(shè)備選材與壁厚確定塔設(shè)備中受壓元件的選材要滿足GB150關(guān)于材料的規(guī)定。依據(jù)塔的操作條件，材料的焊接性能、冷熱加工性能、熱處理及容器的結(jié)構(gòu)等，并考慮選材的經(jīng)濟合理性。塔體材料選用Q345R，裙座材料選

11、用Q235-B。塔設(shè)備的壁厚按照中徑公式計算，取2mm腐蝕裕量，0.3mm鋼板負偏差，確定計算厚度、設(shè)計厚度、名義厚度和有效厚度。裙座壁厚取與殼體壁厚相等的數(shù)值。2.強度和穩(wěn)定性校核塔設(shè)備承受介質(zhì)壓力、彎矩（風載荷、地震載荷和偏心載荷）和軸向載荷（塔設(shè)備、塔內(nèi)介質(zhì)及附件的質(zhì)量）的聯(lián)合作用。由于塔的內(nèi)壓力、彎矩、質(zhì)量隨塔設(shè)備所處狀態(tài)而變化，組合軸向應力也隨之發(fā)生變化。因此需在正常操作、停工檢修和壓力試驗三種工況下進行危險截面的軸向強度和穩(wěn)定性校核。保證組合軸向拉應力滿足強度條件，組合壓應力滿足塔體的穩(wěn)定條件。對于塔體，最大組合應力出現(xiàn)在裙座與筒體連接焊縫截面。對裙座，最大組合應力可能出現(xiàn)塔底部截

12、面或開有人孔、大直徑管道出口的截面處，因此需逐一校核危險截面的組合應力。三、全凝器的設(shè)計（一）全凝器的工藝設(shè)計全凝器的工藝設(shè)計包括：根據(jù)換熱任務和有關(guān)要求確定設(shè)計方案；初步確定換熱器的結(jié)構(gòu)和尺寸；核算換熱器的傳熱面積和流體阻力；確定換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸。（1）設(shè)計方案的確定。兩流體溫度變化情況：熱流體為100飽和蒸氣冷凝為100糠醛水溶液，冷流體進出口溫度分別為30和40，管殼程設(shè)計壓力均為0.1MPa。選用固定管板式換熱器，可滿足設(shè)計要求，且結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低；因冷卻循環(huán)水較易結(jié)垢，為便于清洗，選定冷卻水走管程，塔頂蒸氣為常壓的潔凈流體，為方便冷凝液流出，選定蒸氣走殼程。（2）冷凝器結(jié)構(gòu)和尺寸

13、。設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)如下表：表2 設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)表換熱器類型固定管板式臺數(shù)1殼體內(nèi)徑/mm500管程數(shù)2管子規(guī)格/mm25x2.5殼程數(shù)1管長/mm4500管心距/mm32管子數(shù)目/根168管子排列組合排列傳熱面積/ m253支持板數(shù)/塊4（二）全凝器的結(jié)構(gòu)設(shè)計冷凝器的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括左右管箱、分程隔板、管板、支持板、拉桿與定距管結(jié)構(gòu)、進出口接管的設(shè)計等。（1）分程隔板。分程隔板材料選用Q235-B，隔板厚度取8mm。（2）拉桿與定距管。拉桿一端用螺紋擰入管板，每兩塊支持板之間的間距用定距管固定，最后支持板用雙螺母鎖緊固定。拉桿直徑d0=16mm，數(shù)量為4根。定距管采用與換熱管相同的尺寸。（3）支持板

14、。采用弓形支持板，支持板切口尺寸h=25Di=125mm。共設(shè)置4塊支持板，垂直安裝。支持板外直徑為496.5mm，支持板厚度取12mm。（4）管板。管板與殼程圓筒連為整體，其延長部分兼做法蘭，與管箱用螺柱、墊片連接，管板厚度為41mm，采用16Mn鍛造。（5）接管設(shè)計。a、g：冷卻水進出口管，選用20號無縫鋼管219x6mm，外伸長度為200mm，該接管定位尺寸：取接管中心線距左管板密封面290mm。b：產(chǎn)品入口管選用20號無縫鋼管273x8mm，外伸長度200mm，該接管定位尺寸，取接管中心線距左管板密封面270mm。c、d、e分別為不凝氣出口管，排氣管，排液管，選用20號無縫鋼管25x3

15、mm，外伸長度取150mm。其中不凝氣接管中心線距右管板密封面150mm，排氣管與排液管中心線距右管板密封面195mm。f、產(chǎn)品出口管選用20號無縫鋼管38x3mm，該接管中心線距右管板密封面150mm。（6）換熱管與管板的連接。由于管程與殼程溫差較大，采用強度焊加貼脹的連接方式，結(jié)構(gòu)強度高，抗拉脫能力強，在高溫高壓下能保證連接處的緊密性和抗拉脫能力。（三）全凝器的強度計算全凝器的強度計算主要包括圓筒的壁厚確定與校核，管箱法蘭的的校核，開孔補強計算，管板校核計算等。（1）冷凝器殼體的選材與壁厚的計算。材料選用Q345R，壁厚按照中徑公式計算，取2mm腐蝕裕量，0.3mm鋼板負偏差，確定計算厚度

16、、設(shè)計厚度、名義厚度和有效厚度。（2）水壓試驗先進行殼程試驗，再進行管程試驗。水壓試驗壓力：PT =1.25P式中：PT為內(nèi)壓容器的試驗壓力，MPa；P為設(shè)計壓力，MPa；為試驗溫度下材料的許用應力，Mpa；t為設(shè)計溫度下材料的許用應力，MPa。四、性能及安全性評價本次設(shè)計完成的精餾塔和全凝器滿足設(shè)計任務給定的各項技術(shù)參數(shù)和指標要求，能夠完成預定的生產(chǎn)任務，可保證其在給定的工作介質(zhì)的條件下正常工作且有一定的裕度。為保證所設(shè)計的設(shè)備能夠安全，正常地工作，除了設(shè)計合理外，還必須嚴格遵循相關(guān)的制造、檢驗、安裝和維修的具體要求。參考文獻1 姚玉英、陳常貴、柴誠敬.化工原理 上下冊.天津：天津科學技術(shù)出版社，1992.11.2 譚天恩、竇梅，周明華等.