填料塔畢業(yè)設(shè)計2

PAGEPAGE34目錄TOC\o"1-2"\h\u摘要 ⅢAbstract Ⅳ第1章前言 1第2章流程確定和說明 22.1加料方式 22.2進(jìn)料狀況 22.3塔頂冷凝方式 22.4回流方式 22.5加熱方式 22.6加熱器 3第3章精餾塔設(shè)計計算 43.1操作條件與基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 43.2精餾塔工藝計算 63.3精餾塔主要工藝設(shè)計 113.4填料的選擇 153.5塔徑設(shè)計計算 163.6填料層高度計算 17第4章塔附件的選型與設(shè)計 194.1冷凝器 194.2加熱器 194.3塔內(nèi)管徑的計算及選擇 194.4液體分布器 204.5填料支承板的選擇 214.6塔釜設(shè)計 214.7裙座設(shè)計 224.8吊柱 224.9人孔 224.10法蘭 224.11除沫器 23第5章塔總體高度設(shè)計 255.1塔頂部空間高度 255.2進(jìn)料部位空間高度 255.3塔立體高度 25第6章塔設(shè)備的機械設(shè)計 266.1設(shè)計條件 266.2按壓力計算筒體和封頭厚度 266.3塔的質(zhì)量計算 276.4塔的自振周期計算 286.5地震載荷計算 296.6風(fēng)載荷計算 306.7各種載荷引起的軸向應(yīng)力 326.8筒體和裙座危險截面的強度與穩(wěn)定性校核 346.9筒體和裙座水壓試驗應(yīng)力校核 356.10基礎(chǔ)環(huán)設(shè)計 376.11地腳螺栓計算 386.12開孔補強 40參考文獻(xiàn) 42致謝 43附錄1 44附錄2 47甲醇回收填料精餾塔設(shè)計摘要精餾是借助回流技術(shù)來實現(xiàn)高純度和高回收率的分離操作，在抗生素藥物生產(chǎn)中，需要用甲醇溶媒洗滌晶體，洗滌過濾后產(chǎn)生廢甲醇溶媒，然后對甲醇溶媒進(jìn)行精餾，從而將甲醇進(jìn)行回收利用。精餾操作一般在塔設(shè)備中進(jìn)行，塔設(shè)備分為兩種，板式塔和填料塔。填料塔結(jié)構(gòu)簡單、裝置靈活、壓降小、持液量少、生產(chǎn)能力大、分離效率高、耐腐蝕，且易于處理易起泡、易熱敏、易結(jié)垢物系。近年來由于填料塔結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，新型的高負(fù)荷填料的開發(fā)，既提高了塔的通過能力和分離效能又保持了壓降小及性能穩(wěn)定的特點。因此，填料塔已被推廣到大型氣液操作中，在某些場合還代替了傳統(tǒng)的板式塔。從設(shè)備設(shè)計的角度看，不論板式塔還是填料塔，基本上由塔體、內(nèi)件、裙座、和附件構(gòu)成。隨著對填料塔的研究和開發(fā)，性能優(yōu)良的填料塔必將大量用于工業(yè)生產(chǎn)中。關(guān)鍵字：精餾，填料塔，設(shè)備設(shè)計MethanolrecoverydistillationcolumnpackingdesignAbstractDistillationisdrawingonthetechnologyofreturntoachievehighpurityandhighrecoveryrateoftheseparationoperation,Intheproductionofantibioticdrugs,theneedforwashingwithmethanolsolventcrystals,afterwashingfilterwastesolventsmethanol,andthencarriedoutonthemethanoldistillationsolvent,thustheuseofmethanolforrecycling.DistillationOperationnormallycarriedoutinthetowerequipment,equipmentisdividedintotwotowers,platetowersandpackedtower.Packedtowerstructureissimple,theinstallationofflexible,smallpressuredrop,liquidholdupvolume,largecapacity,highseparationefficiency,corrosionresistance,easyilydealwithfoaming，thermalandscaling.Inrecentyearsduetoimprovementsinthestructureofpackedtower,anewtypeofhighloadfilldevelopment,bothtoimprovethetowerandtheseparationperformancethroughtheabilitytomaintainthepressuredropandsmallandstableperformancecharacteristics.Therefore,thepackedcolumnhasbeenextendedtolarge-scalegas-liquidoperation,insomeoccasionsalsotoreplacethetraditionalplatetower.Equipmentdesignfromthepointofview,regardlessoftraycolumnorpackedcolumn,basicallyfromthetower,withinthepieces,skirt,andaccessoriespose.Withthepackedtowerofresearchanddevelopment,performanceisboundtoalargenumberofthepackedcolumnusedforindustrialproduction.Keyword:Distillation，Packedtower，Equipmentde在煉油、石油化工、精細(xì)化工、食品、醫(yī)藥及環(huán)保等部門，塔設(shè)備屬于使用量大，應(yīng)用面廣的重要單元設(shè)備。塔設(shè)備廣泛應(yīng)用于蒸餾、吸收、萃取、洗滌、傳熱等單元操作中。所以塔設(shè)備的研究一直是國外學(xué)者普遍關(guān)注的重要課題。因此，本文的研究具有重要的理論和實際意義。塔設(shè)備按其結(jié)構(gòu)形式基本上可以分為兩類：板式塔和填料塔。以前，在工業(yè)生產(chǎn)中，當(dāng)處理量大時多用板式塔，處理量小時采用填料塔。近年來由于填料塔結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，新型的高負(fù)荷填料的開發(fā)，既提高了塔的通過能力和分離效能又保持了壓降小及性能穩(wěn)定的特點。因此，填料塔已被推廣到大型氣液操作中。在某些場合還代替了傳統(tǒng)的板式塔。如今，直徑幾米至幾十米的大型填料塔在工業(yè)上已非罕見。隨著對填料塔的研究和開發(fā)，性能優(yōu)良的填料塔必將大量用于工業(yè)生產(chǎn)中。填料塔為逐級接觸式氣液傳質(zhì)設(shè)備，它具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、壓降很低、操作彈性大、持液量小等優(yōu)點。同時也有投資費用較高、填料易堵塞等缺點。塔型的選擇因素很多，主要因素有物料性質(zhì)、操作條件、塔設(shè)備的制造安裝和維修等。1.與物料有關(guān)的因素(1)易起泡的物系在板式塔中有較嚴(yán)重的霧沫夾帶現(xiàn)象引起的液泛，故選用填料塔為宜。因為填料不宜形成泡沫。本設(shè)計為分離甲醇—水，故選用填料塔。(2)對于易腐蝕介質(zhì)，可選用陶瓷或其他耐腐蝕性材料作填料，對于不腐蝕的介質(zhì)，則可選用金屬性質(zhì)或塑料填料，而本設(shè)計為分離甲醇—水，腐蝕性小可選用金屬填料。2.與操作條件有關(guān)的因素(1)傳質(zhì)速率受氣膜控制的系統(tǒng)，選用填料塔為宜。因填料塔層中液相為膜狀流、氣相湍動，有利于減小氣膜阻力。(2)難分離物系與產(chǎn)品純度要求較高，塔板數(shù)很多時，可采用高效填料。(3)若塔的高度有限制，在某些情況下，選用填料塔可降低塔高，為了節(jié)約能耗，故本設(shè)計選用填料塔。(4)要求塔內(nèi)存液量小，停留時間短、壓降小的物系，宜用規(guī)整填料。本設(shè)計題目是分離甲醇—水混合液，處理量不太大，為了節(jié)約能耗和降低塔高，所以選用填料塔。第2章流程確定2.1加料方式加料方式有兩種：高位槽加料和泵直接加料。采用高位槽加料，通過控制液位高度，可以得到穩(wěn)定的流量和流速。通過重力加料，可以節(jié)省一筆動力費用。但由于多了高位槽，建設(shè)費用相應(yīng)增加；采用泵加料，受泵的影響，流量不太穩(wěn)定，流速也忽大忽小，從而影響了傳質(zhì)效率，但結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便；如采用自動控制泵來控制泵的流量和流速，其控制原理較復(fù)雜，且設(shè)備操作費用高。本次設(shè)計采用高位槽進(jìn)料。2.2進(jìn)料狀況進(jìn)料狀況一般有冷液進(jìn)料、泡點進(jìn)料。對于冷液進(jìn)料，當(dāng)組成一定時，流量一定，對分離有利，省加熱費用。但冷液進(jìn)料受環(huán)境影響較大，對于太原地區(qū)來說，存在較大溫差，且增加塔底蒸汽上升量，增大建設(shè)費用。采用泡點進(jìn)料，不僅對穩(wěn)定塔操作較為方便，且不受季節(jié)溫度影響。綜合考慮，設(shè)計上采用泡點進(jìn)料，泡點進(jìn)料時，基于恒摩爾流假定，精餾段和提餾段上升蒸汽的摩爾流量相等，故精餾段和提餾段塔徑基本相等，制造上較為方便。2.3塔頂冷凝方式塔頂冷凝器采用全凝器，用水冷凝。甲醇和水不反應(yīng)，且容易冷凝，故用全凝器。塔頂出來的氣體溫度不高，冷凝后回流液和產(chǎn)品溫度不高無需進(jìn)一步冷卻，此次分離也是想得到液體甲醇，選用全凝器符合要求。2.4回流方式回流方式可分為重力回流和強制回流。對于小型塔回流冷凝器一般放在塔頂。其優(yōu)點是回流冷凝器無需支撐結(jié)構(gòu)，其缺點是回流冷凝器回流控制較難。如果需要較高的塔處理量或塔板數(shù)較多時，回流冷凝器不適合于塔頂安裝。且塔頂冷凝器不易安裝、檢修和清理。在這種情況下，可采用強制回流，塔頂蒸汽可采用冷凝冷卻器以冷凝回流流入塔中。由于本次設(shè)計處理量較大，故采用強制回流。2.5加熱方式加熱方式分為直接蒸汽加熱和間接蒸汽加熱。直接蒸汽加熱是用蒸汽直接由塔底進(jìn)入塔內(nèi)。由于重組分是水，故省略加熱裝置。但在一定的回流比條件下塔底蒸汽對回流液有稀釋作用，使理論板數(shù)增加，費用增加。間接蒸汽加熱是通過加熱器使釜液部分汽化。上升蒸汽與回流下來的冷凝液進(jìn)行傳質(zhì)，其優(yōu)點是使釜液部分汽化，維持原來的濃度，以減少理論板數(shù)，缺點是增加加熱裝置。本次設(shè)計采用間接蒸汽加熱。2.6加熱器采用釜式（罐式）再沸器，用水蒸氣作加熱劑。將釜液部分汽化，維持了塔內(nèi)原有濃度，減少了理論板數(shù)。第3章精餾塔設(shè)計計算3.1操作條件與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)3.1.1操作壓力精餾操作按操作壓力可以分為常壓、加壓和減壓操作。精餾操作中壓力影響非常大。當(dāng)壓力增大時，混合液的相對揮發(fā)度將減小，對分離不離；當(dāng)壓力減小時，相對揮發(fā)度將增大，對分離有利。但當(dāng)壓力不太低時，對設(shè)備的要求較高，設(shè)備費用增加。因此在設(shè)計時一般采用常壓蒸餾。當(dāng)常壓下無法完成操作時，則采用加壓或減壓蒸餾。對于甲醇—水系統(tǒng)在常壓下?lián)]發(fā)度相差較大，較易分離，故本設(shè)計采用常壓精餾。3.1.2氣液平衡關(guān)系及平衡數(shù)據(jù)表3.1甲醇—水平衡時的t、x、y數(shù)據(jù)[1]平衡溫度t10092.990.388.981.678.073.870.068.066.964.7液相甲醇x05.317.679.2620.828.146.268.485.687.4100汽相甲醇y028.340.043.562.767.777.584.989.691.9100根據(jù)以上數(shù)據(jù)繪出x—y平衡圖%%圖3.1甲醇—水平衡相圖3.1.3物料平衡計算1.物料衡算已知（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）(3-1)摩爾分率：(3-2)(3-3)(3-4)進(jìn)料平均相對分子質(zhì)量：(3-5)2.氣液平衡根據(jù)氣液平衡表3.1（即x—y—t表），利用內(nèi)插法球塔頂溫度tLD，tVD，塔釜溫度tW，進(jìn)料液溫度tF。（1）塔頂溫度tLD,tVD(3-6)(3-7)（2）塔釜溫度tW(3-8)（3）進(jìn)料液溫度tF(3-9)3.回流比確定由圖3.1可知進(jìn)料平衡曲線為不正常平衡曲線，為減小誤差，用作圖法求最小回流比Rmin，由點a(xD,xD)向平衡線作切線，交于點b(0,37.85)即精餾段操作線截矩，所以，所以Rmin=1.5。操作回流比可取最小回流比的1.1～2.0倍，所以取R=1.5Rmin=1.5×1.5=2.25所以回流比確定為R=2.25%%圖3.2理論塔板數(shù)的圖解3.2精餾塔工藝計算3.2.1物料衡算物料衡算（1）已知：F"=50000t，年開工300天，進(jìn)料摩爾流量：(3-10)(3-11)總物料：F=D+W(3-12)易揮發(fā)組分：解得：，（2）塔頂產(chǎn)品的相對分子質(zhì)量(3-13)塔頂產(chǎn)品流量：(3-14)（3）塔釜產(chǎn)品相對分子質(zhì)量(3-15)塔釜產(chǎn)品流量：(3-16)(3-17)2.物料衡算結(jié)果表表3.2物料衡算結(jié)果表物料組成kg/hkmol/h質(zhì)量分?jǐn)?shù)摩爾分?jǐn)?shù)進(jìn)料F塔頂D塔釜W6944.4113181.5193762.892309.88101.737208.14345%97%1%31.50%94.80%0.56%3.2.2熱量衡算1.加熱介質(zhì)和冷卻劑的選擇（1）加熱介質(zhì)的選擇常用加熱介質(zhì)有飽和水蒸氣和煙道氣。飽和水蒸氣是一種應(yīng)用最廣的加熱劑。由于飽和水蒸氣冷凝時的傳熱膜系數(shù)很高，可以通過改變蒸汽的壓力準(zhǔn)確的控制加熱溫度。燃料燃燒所排放的煙道氣溫度可達(dá)100～1000°C，適用于高溫加熱。缺點是煙道氣的比熱容及傳熱膜系數(shù)很低，加熱溫度控制困難。本設(shè)計選用300kPa（溫度為133.3°C）的飽和水蒸氣做加熱介質(zhì)，水蒸氣易獲得、清潔、不易腐蝕加熱管，不但成本會相應(yīng)降低，塔結(jié)構(gòu)也不復(fù)雜。（2）冷卻劑的選擇常用的冷卻劑是水和空氣，因地制宜加以應(yīng)用。受當(dāng)?shù)貧鉁叵拗?，冷卻水一般為10～28°C。如需冷卻到較低溫度，則需采用低溫介質(zhì)，如冷凍鹽水、氟利昂等。本設(shè)計建廠地區(qū)為太原，太原市夏季最熱月平均氣溫為28°C，故選用28°C的冷卻水，選升溫10°C，即冷卻水出口溫度為38°C。2.冷凝器的熱負(fù)荷冷凝器的熱負(fù)荷：(3-18)式中IVD—塔頂上升蒸汽的焓,kcal·kmol-1；ILD—塔頂流出液的焓,kcal·kmol-1。（3-19)式中ΔHV甲—甲醇的蒸發(fā)潛熱，kcal·kmol-1；ΔHV水—水的蒸發(fā)潛熱,kcal·kmol-1。蒸發(fā)潛熱與溫度的關(guān)系[1]：(3-20)式中Tr—對比溫度。表3.3沸點下蒸發(fā)潛熱列表[1]沸點/°C蒸發(fā)潛熱甲醇64.658430512.6水1009729647.3由沃森計算塔頂溫度下的潛熱：(3-21)66.03°C時，對甲醇：(3-22)(3-23)蒸發(fā)潛熱：對水，同理得：蒸發(fā)潛熱：對于全凝器做熱量衡算（忽略熱量損失）：選擇泡點回流，因為塔頂甲醇含量很高，與露點相近所以：代入數(shù)據(jù)得：3.冷卻介質(zhì)消耗量：(3-24)4.加熱器的熱負(fù)荷及全塔熱量衡算選用300kPa(133.3°c)飽和水蒸汽為加熱介質(zhì)，列表計算甲醇、水在不同溫度下混合的比熱容。表3.4甲醇、水在不同溫度下混合的比熱容[1]單位：kcal/(kg·°c)甲醇水甲醇：(3-25)(3-26)水：(3-27)(3-28)(3-29)(3-30)根據(jù)表3.2有：D=2736.3kg/hW=3236.034kg/h(3-31)(3-32)對全塔進(jìn)行熱量衡算：(3-33)為了簡化計算，以進(jìn)料焓，即77.16°C時的焓值為基準(zhǔn)做熱量衡算：=23592.379+71341.606+2418001.0970=2465750.2kcal/h=2.47x106kcal/h塔釜熱損失為10%,則η=0.9則：(3-34)式中加熱器理想熱負(fù)荷,kcal/h；加熱器實際熱負(fù)荷,kcal/h；塔頂流出液帶出的熱量,kcal/h；塔底帶出熱量,kcal/h。加熱蒸汽消耗量：(333K,300kPa)[1](3-35)表3.5熱量衡算結(jié)果數(shù)據(jù)表符號QCkcal/hWCkg/hQFkcal/hQDkcal/hQWkcal/hQSkcal/h′Whkg/h數(shù)值2.42×1062.42×1050-23592.37971341.6062.74×1065307.873.2.3理論板數(shù)計算由于本次設(shè)計時的相對揮發(fā)度是變化的所以不能用簡捷法求得，應(yīng)用圖解法求得。精餾段操作線方程為：(3-36)連接圖3.2點,與q先交于d點，連接與d點，得提餾段操作線。然后由平衡線與操作線可得精餾塔理論塔板數(shù)為11塊，第8層跨過d點，即第8層為加料板，故精餾段板數(shù)為7塊，提餾段3塊。3.3精餾塔主要工藝設(shè)計精餾塔設(shè)計的主要物性數(shù)據(jù)[1]表3.6不同溫度下甲醇和水的密度物質(zhì)密度kg/m3溫度/°C5060708090100甲醇750741731721713704水988983978972965958表3.7甲醇--水特殊點粘度[1]物質(zhì)粘度mPa·s塔頂65.61°C塔底99.25°C進(jìn)料77.16°C甲醇0.3310.2240.286水0.4540.2550.383.3.1塔頂條件下的流量及物性參數(shù),,氣相平均相對分子質(zhì)量：(3-37)液相平均相對分子質(zhì)量：汽相密度：(3-38)液相密度：查表7，用內(nèi)插法(3-39)所以：液相粘度：查表3.7得,,(3-40)塔頂出料口質(zhì)量流量：表3.8塔中頂部數(shù)據(jù)結(jié)果表符號數(shù)值31.27231.2721.126740.9420.3373181.519101.7373.3.2塔底條件下的流量物性參數(shù),1.液相相對分子質(zhì)量：由于很小，所以液相可視為純水2.氣相密度：tW=99.25°C時（3-41）3.液相密度：視同純水，查表3.6得：4.液相粘度：查表3.7得：,,5.塔底流量：（3-42）表3.9塔底數(shù)據(jù)結(jié)果表符號數(shù)值18180.5899580.2553746.574208.1433.3.3進(jìn)料條件下的流量及物性參數(shù)F=266.5kmol/h,xF=31.5%,αF=45%查表3.1得：解得：y=68.67%=0.68671.氣體平均相對分子質(zhì)量（3-43）2.液相平均相對分子質(zhì)量（3-44）3.氣相密度（3-45）4.液相密度由表3.6數(shù)據(jù)，同上用內(nèi)插法，求出ρ甲=723.84kg/m3,ρ水=973.704kg/m3（3-46）5.液相粘度查表3.7得：t=77.16°C,μ甲=0.286mPa·s,μ水=0.380mPa·s（3-47）6.進(jìn)料流量表3.10進(jìn)料數(shù)據(jù)結(jié)果表符號數(shù)值27.6122.41833.3330.9610.356944.444309.883.3.4精餾段的流量及物性參數(shù)1.汽相平均相對分子質(zhì)量（3-48）2.液相平均相對分子質(zhì)量（3-49）3.氣相密度（3-50）4.液相密度（3-51）5.液相粘度（3-52）6.汽相流量（3-53）7.液相流量（3-54）3.3.5提餾段流量及物性參數(shù)1.氣相平均相對分子質(zhì)量(3-55)2.液相平均相對分子質(zhì)量(3-56)3.氣相密度(3-57)4.液相密度(3-58)5.液相粘度(3-59)6.氣相流量(3-60)7.液相流量（3-61）表3.11精餾段、提餾段數(shù)據(jù)結(jié)果表精餾段提餾段氣相平均相對分子質(zhì)量29.44122.805液相平均相對分子質(zhì)量26.84120.205氣相密度1.04350.775液相密度787.1375895.667氣相摩爾流量330.645330.645氣相質(zhì)量流量9734.5197540.359液相粘度0.34350.303液相摩爾流量228.908538.788液相質(zhì)量流量6144.1210886.8123.4填料的選擇填料是填料塔的核心構(gòu)件，它提供了氣液兩相相接觸傳質(zhì)與傳熱的表面，與塔內(nèi)件一起決定了填料塔的性質(zhì)。目前，填料的開發(fā)與應(yīng)用仍是沿著散裝填料與規(guī)整填料兩個方面進(jìn)行。本設(shè)計選用規(guī)整填料，金屬板波紋250Y型填料。規(guī)整填料是一種在塔內(nèi)按均勻幾何圖形排布、整齊堆砌的填料，規(guī)定了氣液流路，改善了溝流和壁流現(xiàn)象，壓降可以很小，同時還可以提供更大的比表面積，在同等溶劑中可以達(dá)到更高的傳質(zhì)、傳熱效果。與散裝填料相比，規(guī)整填料結(jié)構(gòu)均勻、規(guī)則、有對稱性，當(dāng)于散裝填料有相同的比表面積時，填料孔隙率更大，具有更大的通量，單位分離能力大。250Y型波紋填料是最早研制并應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的板波填料，它具有以下特點：1.比表面積與通用散裝填料相比，可提高近一倍，填料壓降較低，通量和傳質(zhì)效率均有較大幅度提高。2.與各種通用板式塔相比，不僅傳質(zhì)面積大幅度提高，而且全塔壓降及效率有很大改善。3.工業(yè)生產(chǎn)中氣液質(zhì)均可能帶入“第三項”物質(zhì)，導(dǎo)致散裝填料及某些板式塔無法完成操作。鑒于250Y型填料整齊的幾何結(jié)構(gòu)，顯示出良好的抗堵性能，因而能在某些散裝填料塔不適宜的場合使用，擴(kuò)大了填料塔的應(yīng)用范圍。鑒于以上250Y型的特點，本設(shè)計本設(shè)計塔中壓力很低，采用Mellapok-250Y型填料。3.5塔徑設(shè)計計算3.5.1精餾段塔徑計算由氣速關(guān)聯(lián)式[4]：（3-62）式中干填料因子；μL—液體粘度，mPa·S;A—250Y型為0.291；L、G—液體、氣體質(zhì)量流速，m/s；氣體、液體密度kg/m3；g—重力加速度，m/s2。精餾段：=1.0435kg/m3，ρL=787.1357kg/m3,ε=0.97,a=250m2/m3,μL=0.3435mPa·s，L=6144.120kg/h，G=9734.519kg/h，帶入式中求解得：uf=4.83m/s空塔氣速：u=0.5uf=0.5×4.83=2.415m/s(3-63)(3-64)體積流量：(3-65)(3-66)圓整后：D=1200m，空塔氣速u=2.13m/s3.5.2提餾段塔徑計算，，，，所以：空塔氣速：圓整后：D=1200m，空塔氣速u=2.229m/s3.5.3選取整塔塔徑提餾段和精餾段塔徑圓整后D=1200m，為精餾塔塔徑。3.6填料層高度計算3.6.1精餾段填料層高度計算，所以:(3-67)查得：【5】(3-68)精餾段填料高度：(3-69)式中精餾段理論板數(shù)據(jù)根據(jù)圖1.2得7；2.8[5]。精餾段總壓降：(3-70)3.6.2提餾段填料層高度計算，所以：查得：【5】提餾段填料高度：式中提餾段理論板數(shù)據(jù)根據(jù)圖1.2得知為3；2.8[5]。提餾段總壓降：(3-71)3.6.3全塔填料層總壓降(3-72)3.6.4填料總高度(3-73)3.6.5填料層高度和壓降計算匯總表3.12填料層高度和壓降計算匯總參數(shù)精餾段提餾段全塔氣動因子2.1761.962壓降8590175總壓降212.596.3308.8填料層高度/m2.51.073.57第4章塔附件的選型與設(shè)計4.1冷凝器本設(shè)計冷凝器選用重力回流直立或管殼式冷凝器原理，對于蒸餾塔的冷凝器，一般選用列管式，空冷凝螺旋板式換熱器。因本設(shè)計冷凝器與被冷凝流體溫差不大，所以選用管殼式冷凝器，被冷凝氣體走管間，以便于及時排除冷凝液。冷卻水循環(huán)與氣體方向相反，即離流式。當(dāng)氣體進(jìn)入冷凝器時，使其液膜厚度減薄，傳熱系數(shù)增大，利于節(jié)省面積，減少材料費，取冷凝器傳熱系數(shù)K=550kcal/(m2·h·°C)太原地區(qū)夏季最高平均水溫28°C，升溫10°C(4-1)(4-2)4.2加熱器選用釜式再沸器，蒸汽選133.3°C飽和水蒸氣，傳熱系數(shù)K=1000kcal/(m2·h·°C)Δt=133.3-100=33.3°C由表3.5得(4-3)(4-4)4.3塔內(nèi)管徑的計算及選擇4.3.1進(jìn)料管(4-5)圓整后：表4.1進(jìn)料管數(shù)據(jù)[4]單位：mm內(nèi)管外管RH1H276×4133×42251201504.3.2回流管對于直立回流一般0.2～0.5m/s，取WR=0.4m/s(4-6)圓整后：dR=89mm表4.2回流管數(shù)據(jù)[4]單位：mm內(nèi)管外管RH1H289×4133×42651201504.3.3塔頂蒸汽接管操作壓力常壓，蒸汽速度WV=20m/s(4-7)圓整后：dV=426mm4.3.4再沸器回流管取出口速度v=20m/s，則(4-8)圓整后：d=426mm4.3.5塔釜出料管塔釜流出液體速度Ww取0.6m/s(4-9)圓整后：dw=57mm4.4液體分布器由于此填料塔塔徑為1200mm，選用多孔型直列排管式常壓（重力型）液體分布器。4.4.1回流液體分布器支管內(nèi)徑不得小于15mm和大于45mm，取支管為?48×4，管子間距為137.5mm，在每根直列排管下部排3排布液孔，孔徑采用?4，孔中心線與垂線夾角α取30°。由于用于規(guī)整填料，直列排管式液體分布器直接放在規(guī)整填料上。表4.3回流液液體分布器數(shù)據(jù)[4]塔徑/mm主管直徑/mm支管排數(shù)管外緣直徑/mm120080911404.4.2進(jìn)料液分布器表4.4進(jìn)料液液體分布器[4]塔徑/mm主管直徑/mm支管排數(shù)管外緣直徑/mm12006571140取支管為?48×4，管子間距為163mm，在每根直列排管下部排3排布液孔，孔徑采用?4，孔中心線與垂線夾角α取30°。4.5填料支承板的選擇本設(shè)計采用的是規(guī)整填料推薦采用格柵支承板，材料選用Q235A。因為塔的內(nèi)徑為1200mm>800mm，需采用分塊式格柵板。格柵板外徑D=DT-(10~40)mm，故取格柵支承板外徑1180mm。板條間距t=200m，隔板條間距t1≈1.5t，取t1=300mm，分塊格柵板寬度l，l1=400mm。表4.5支承板尺寸及能支承的填料層高度[4]塔徑/mm格柵板尺寸能支承的填料層高度H外直徑D柵條高度h×厚度s1200116860×106DN表4.6支持圈尺寸[4]塔徑/mmD1D2厚度/mm支持板數(shù)碳素鋼不銹鋼12001194107410864.6塔釜設(shè)計料液在釜內(nèi)停留5min,裝填系數(shù)取0.5塔釜液量：(4-10)塔釜體積：(4-11)(4-12)(4-13)4.7裙座設(shè)計塔底常用裙座支撐，裙座的結(jié)構(gòu)性能好，連接處產(chǎn)生的局部阻力小，所以它是塔設(shè)備的主要支座形式，為了制作方便，一般采用圓筒形。裙座壁厚取10mm?？紤]到再沸器裙座高度取3m.地腳螺栓直徑取M42.裙座筒體上端面至塔釜封頭切線距離h=61mm。4.8吊柱對于較高的室外無框架的整體塔，在塔頂設(shè)置吊柱，對于補充和更換填料、安裝和拆卸內(nèi)件，及經(jīng)濟(jì)又方便的一項設(shè)施，本設(shè)計塔高將近15m，因此設(shè)吊柱。因設(shè)計塔徑D=1200mm，選用吊柱500kg。表4.7塔頂?shù)踔鶚?biāo)準(zhǔn)系列尺寸[4]S/mL/mH/mG500質(zhì)量kg標(biāo)準(zhǔn)圖號?×δ/mR/mE/mL/m120038001100159×10900250110258HG/T21639-1980-184.9人孔人孔是安裝或檢修人員進(jìn)出塔的唯一通道，人孔的設(shè)置應(yīng)便于進(jìn)入任何一層塔盤。填料塔人孔可設(shè)置在每段填料的上、下方，同時兼作填料裝卸孔用。人孔設(shè)置一般在氣液進(jìn)出口等經(jīng)常維修清理的部位，另外塔頂和塔釜也各設(shè)一人孔。故本設(shè)計設(shè)置3個人孔，每個孔直徑為450mm，裙座上設(shè)置2個人孔，直徑為450mm，人孔伸入塔內(nèi)部應(yīng)與塔內(nèi)壁修平，其邊緣需到棱和磨圓，人孔法蘭的密封面形式及墊片用材，一般與塔的接管法蘭相同，本設(shè)計也是如此。由于此次設(shè)計的操作壓力為常壓，采用結(jié)構(gòu)比較簡單的常壓人孔。表4.8垂直吊蓋板式平焊法蘭人孔尺寸[5]單位/mm公稱直徑DNdw×sDD1ABbb1b2H1H2螺栓螺母數(shù)量螺栓總質(zhì)量/kg直徑×長度450480×659555035025014101222011020M16×5044.34.10法蘭由于常壓操作，所有法蘭均采用標(biāo)準(zhǔn)管法蘭，突面板式平焊管法蘭，由不同的公稱直徑選用相應(yīng)的法蘭。表4.9PN0.25MPa板式平焊鋼制管法蘭[5]單位：mm公稱通徑D管子外徑A1連接尺寸法蘭厚度C法蘭內(nèi)徑B1理論重量(kg)法蘭外徑D螺栓孔中心圓直徑K螺栓孔直徑L螺栓孔數(shù)量n螺紋Th5057140110144M1216591.516576160130144M1216781.858089190150184M1618912.94125133240200188M16201354.534004265404952216M202843017.14.11除沫器當(dāng)空塔氣速較大，塔頂帶液現(xiàn)象嚴(yán)重，以及工藝過程中不許出塔氣速夾帶霧滴的情況下，設(shè)置除沫器以減少液體夾帶損失，確保氣體純度，保證后續(xù)設(shè)備的正常操作。常用除沫器有折流板式除沫器、絲網(wǎng)除沫器以及程流除沫器。本設(shè)計采用絲網(wǎng)除沫器，其具有表面極大、重量輕、空隙大及使用方便等優(yōu)點。設(shè)計時人孔在絲網(wǎng)除沫器下方，所以采用下裝式絲網(wǎng)除沫器。絲網(wǎng)除沫器直徑由氣體通過絲網(wǎng)的最大氣速決定：（4-14）式中：k—比例系數(shù)，通常取0.085~1.0；—液相密度，kg/m3；—氣相密度，kg/m3。實際氣速取最大氣速的0.75~0.8，則：除沫器直徑：（4-15）表4.10下裝式絲網(wǎng)除沫器基本參數(shù)[5]公稱直徑DN/mm主要外形尺寸，mm質(zhì)量/kgHH1D1200100176112056第5章塔總體高度設(shè)計5.1塔頂部空間高度塔的頂部空間高度是指精餾段填料上部到塔頂封頭的直線距離，取除沫器到提餾段填料上部的距離為900mm，塔頂部空間高度為1200mm。5.2進(jìn)料部位空間高度進(jìn)料部分空間高度是指提餾段填料上部到精餾段填料的下部的直線距離取為1000mm。5.3塔立體高度H=H填料+H釜+H裙+H封+H頂+H進(jìn)料+H頂部接管+h=3.57+2+3+0.335+1.2+1+0.15+0.086=11.341m 第6章塔設(shè)備的機械設(shè)計6.1設(shè)計條件塔體內(nèi)徑Di=1200m，塔高近似取H=12m。計算壓力Pc=0.11MPa，設(shè)計溫度t=100°C。設(shè)置地區(qū)：基本風(fēng)壓值q。=300N/m2；地震設(shè)防強度為8級；場地土類；B類。塔內(nèi)釜液殘留為，釜液密度。從塔底向上在3501mm、6671mm、10271mm三處開設(shè)三個人孔，相應(yīng)在人孔處安裝半圓形平臺3個，平臺寬度為B=900mm，高度為1000mm。塔體與封頭材料選用16MnR，其【δ】t=170MPa，【δ】=170MPa，δs=345MPa，Et=1.9×105MPa。裙座材料選用Q235-B。塔體與裙座對接焊接，塔體焊接接頭系數(shù)?=0.85。塔體與封頭壁厚附加量取C=3mm，裙座厚度附加量C=2mm。精餾塔其他有關(guān)尺寸詳見裝配圖。6.2按壓力計算筒體和封頭厚度筒體計算厚度：（6-1）封頭計算厚度：（6-2）加上厚度附加量C=3mm，并圓整，還應(yīng)考慮多種載荷因素，以及制造、運輸、安裝等因素，取：筒體的名義厚度，有效厚度（6-3）封頭的名義厚度，有效厚度裙座的名義厚度，有效厚度6.3塔的質(zhì)量計算6.3.1塔殼和裙座的質(zhì)量1.圓筒的質(zhì)量塔體圓筒總高度：H=2+3.57+2.2-0.04=7.73m一米高筒體的質(zhì)量m=298kg[5]，則塔體圓筒總質(zhì)量：m1=7.73m=7.73×298=2303.54kg2.封頭質(zhì)量查得DN1200mm，厚度10mm的標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭質(zhì)量128.3kg，（封頭曲面深度300mm，直邊高度40mm）封頭質(zhì)量：m2=128.3×2=256.6kg3.裙座質(zhì)量裙座高度3000mm，一米高筒體的質(zhì)量m=298kg[5]，則裙座質(zhì)量:m3=298×3=894kgm01=m1+m2+m3=2690.94+256.6+894=3841.54kg6.3.2塔內(nèi)構(gòu)件質(zhì)量每立方米250Y波紋孔板規(guī)整填料的質(zhì)量為200kg，填料總高度3.57m。（6-4）6.3.3平臺扶梯質(zhì)量由[7]中的塔設(shè)備的機械設(shè)計，采用鋼制平臺，其質(zhì)量為qp=150kg/m2，采用籠式扶梯，籠式扶梯質(zhì)量qF=40kg/m,籠式扶梯總高度HF=10m，平臺數(shù)量n=3（6-5）=1840kg6.3.4操作時物料重量操作時，料液在釜內(nèi)停留15min，料液體積（6-6）釜液密度：。m04=895.667×1.15=3097.23kg6.3.5附件質(zhì)量按經(jīng)驗取附件質(zhì)量為：ma=0.25m01=0.25×3841.54=906.385kg(6-7)6.3.6沖水質(zhì)量(6-8)6.3.7全塔操作質(zhì)量m0=m01+m02+m03+m04+ma=3841.54+807.1+1840+3097.23+906.385=10492.25kg(6-9)6.3.8全塔最大質(zhì)量mmax=m01+m02+m03+m04+ma+mw=m0+mw=10492.25+10716=21208.25kg(6-10)6.3.9全塔最小質(zhì)量mmin=m01+0.2m02+m03+m04+ma=3841.54+0.2×807.1+1840+3097.23+906.385(6-11)=9846.59kg表6.1塔的分段及各段質(zhì)量單位：kg塔段1234合計塔段長度/mm100020004000500012000人孔、平臺數(shù)00213m012985961618.31329.243841.54m0200214603.1807.1m031226.8613.21840m04228.482868.753097.23ma69.72139.44348.6348.625906.385mw254.556524809.510716mo367.72963.926276.452884.1610492.25mmax367.721218.4211928.457693.6621208.25mmin367.721218.4211757.257211.1209846.596.4塔的自振周期計算因為H/Di=12000/1200=10，可以不考慮振型影響。塔的基本自振周期[6]（6-12）6.5地震載荷計算由[8]表9-22查得：（設(shè)計地震強度為7級）由[8]表9-22查得：（二類場地土，近震）地震影響系數(shù)：（6-13）結(jié)構(gòu)綜合影響系數(shù)CZ=0.5。確定危險截面，0-0截面為裙座基底截面，1-1截面為裙座人孔處截面，2-2截面為裙座與塔體焊縫處截面。計算危險截面的地震彎矩：0-0截面：(6-14)1-1截面：（6-15）式中：h—計算截面距地面的高度，mmCZ—結(jié)構(gòu)綜合影響系數(shù)，取CZ=0.5α1—對應(yīng)于塔基本自振周期T1的地震2-2截面：（6-16）6.6風(fēng)載荷計算6.6.1風(fēng)力計算1.風(fēng)振系數(shù)各計算塔段的風(fēng)振系數(shù)K2i由【3】（6-17）式計算，式中：脈動增大系數(shù)；第i計算段脈動影響系數(shù)；第i計算段振型系數(shù)；風(fēng)壓高度變化系數(shù)；表6.2各塔段的風(fēng)振系數(shù)塔段號1234計算截面距地面高度hit/m1245脈動增大系數(shù)ξ（B類）2.74脈動影響系數(shù)vi(B類)0.720.720.720.79振動系數(shù)?zi0.0060.03750.1260.35風(fēng)壓高度變化系數(shù)fi(B類)0.640.81.01.231.0181.0921.2491.6162.有效直徑Dei設(shè)籠式扶梯與塔頂管線成90°角，取平臺構(gòu)件的投影面積∑A=0.5m2，則Dei取下式計算之中的較大者。（6-18）（6-19）式中：塔器第i計算段的保溫層厚度，mm；籠式扶梯當(dāng)量寬度，當(dāng)無確切數(shù)據(jù)時，可取K3=400mm；操作平臺當(dāng)量寬度，mm；操作平臺所在的計算段長度，mm；第i計算段內(nèi)平臺構(gòu)件的投影面積，mm2；do—塔頂管線外徑，mm；管線保溫層厚度，mm。此次設(shè)計中塔和管線沒設(shè)保溫層，即，塔頂管線外徑，K3=400mm。表6.3各塔段的有效直徑單位：mm塔段號1234塔段長度1000200040005000K340000200111Dei16001600180017113.水平風(fēng)力計算兩相鄰計算截面間的水平風(fēng)力：（6-20）式中Pi—塔器第i計算段的水平風(fēng)力，N；q0—基本風(fēng)壓值，N/m2；fi—風(fēng)壓高度變化系數(shù)；li—塔第i計算段長度，mm；K1—塔型系數(shù)，取K1=0.7；K2i—塔器第i計算段的風(fēng)振系數(shù)，當(dāng)塔高H≤20m時，K2i=1.7。表6.4各塔段水平風(fēng)力計算結(jié)果塔段號1234K10.7K2i1.7q0/N/m2300fi0.640.81.01.23li/mm1000200040005000Dei/mm1600160018001711Pi/N466.32207.34184.411540.66.6.2風(fēng)彎矩計算0-0截面：（6-21）=233150+6621900+31383000+167338700=2.1×108N·mm1-1截面：（6-22）=4414600+27198600+155798100=1.87×108N·mm2-2截面：（6-23）=10461000+109635700=1.2×108N·mm6.7各種載荷引起的軸向應(yīng)力6.7.1計算壓力引起的軸向拉應(yīng)力（6-24）6.7.2操作質(zhì)量引起的軸向應(yīng)力0-0截面：（6-25）1-1截面：（6-26）式中，裙座人孔處截面的面積Asm=33500mm2【11】2-2截面：6.7.3最大彎矩引起的軸向應(yīng)力最大彎矩取下式計算值中較大者：（6-27）0-0截面：（6-28）1-1截面：（6-29）2-2截面：（6-30）計算結(jié)果如下：表6.5各段截面應(yīng)力截面0-01-12-22.1×1081.87×1081.2×108危險截面的計算如下：0-0截面：（6-31）1-1截面：（6-32）式中：裙座人孔處截面的抗彎截面系數(shù)Zsm=8790000mm2【11】2-2截面：（6-33）6.8筒體和裙座危險截面的強度與穩(wěn)定性校核6.8.1筒體的強度與穩(wěn)定性校核1.強度校核筒體危險截面2-2處最大組合軸向拉應(yīng)力：（6-34）軸向許用應(yīng)力：（6-35）式中：K—載荷組合系數(shù)，取K=1.2.?—焊接接頭系數(shù)，取0.85。因為，故滿足強度條件。2.穩(wěn)定性校核筒體危險截面2-2處的最大組合軸向壓應(yīng)力（6-36）許用軸向壓應(yīng)力：取其中較小值計算系數(shù):（6-37）外壓圓筒的計算的材料圖B=110MPa[15]。則取因為，故滿足穩(wěn)定性條件。6.8.2裙座的穩(wěn)定性校核裙座危險截面0-0及1-1截面處的最大組合軸向壓應(yīng)力（6-38）（6-39）計算系數(shù)：外壓圓筒的計算的材料圖[15]B=110MPa。則取因為，，故滿足穩(wěn)定性條件。6.9筒體和裙座水壓試驗應(yīng)力校核6.9.1筒體水壓試驗應(yīng)力校核1.由試驗壓力引起的環(huán)向應(yīng)力δ試驗壓力：（6-40）（6-41）（6-42）因為，故滿足要求。2.由試驗壓力引起的軸向應(yīng)力（6-43）3.水壓試驗時，重力引起的軸向應(yīng)力（6-44）4.由彎矩引起的軸向應(yīng)力（6-45）5.最大軸向拉應(yīng)力校核（6-46）許用應(yīng)力：因為，故滿足要求。6.最大組合軸向壓應(yīng)力校核（6-47）軸向許用壓應(yīng)力:（6-48）取其中較小值取，因為，故滿足要求。6.9.2裙座水壓試驗應(yīng)力校核1.水壓試驗時，重力引起的軸向應(yīng)力（6-49）（6-50）2.彎矩引起的軸向應(yīng)力（6-51）（6-52）3.最大軸向壓應(yīng)力校核（6-53）（6-54）軸向許用壓力取其中較小值取，因為，，故滿足要求。6.10基礎(chǔ)環(huán)設(shè)計6.10.1基礎(chǔ)環(huán)尺寸?。?-55）（6-56）6.10.2基礎(chǔ)環(huán)應(yīng)力校核（6-57）取其中較大值（6-58）（6-59）（6-60）（6-61）取。選用75號混凝土，其許用應(yīng)力，因為，故滿足要求。6.10.3基礎(chǔ)環(huán)厚度按照有筋板時，計算基礎(chǔ)環(huán)厚度（6-62）設(shè)地腳螺栓直徑為M42，l=160mm，則b/l=0.875≈0.9【2】（6-63）（6-64）?。?-65）基礎(chǔ)環(huán)材料的許用應(yīng)力基礎(chǔ)環(huán)厚度：（6-66）取Sb=20mm。6.11地腳螺栓計算6.11.1地腳螺栓承受的最大拉應(yīng)力地腳螺栓承受的最大拉應(yīng)力：取其中較大值（6-67）取。6.11.2地腳螺栓直徑因為，故此塔設(shè)備必須安裝地腳螺栓，取地腳螺栓個數(shù)n=12，地腳螺栓材料的許用應(yīng)力。（6-68）表6.6地腳螺栓座尺寸單位：mm螺栓規(guī)格δKBCD(D)l3δGδCδZl1lsl4d2d3d4M42×3.530075652102409018241817014090456060以上各項計算均滿足強度條件及穩(wěn)定性條件，塔的機械設(shè)計結(jié)果列于表表6.7甲醇回收精餾塔機械設(shè)計結(jié)果匯總表塔的名義厚度筒體Sn=10mm，封頭Snh=10mm，裙座Sns=10mm塔的載荷及其彎矩質(zhì)量載荷風(fēng)彎矩地震彎矩各種載荷引起的軸向應(yīng)力計算壓力引起的軸向應(yīng)力操作質(zhì)量引起的軸向應(yīng)力最大彎矩引起的軸向應(yīng)力最大組合軸向拉應(yīng)力最大組合軸向壓應(yīng)力強度及穩(wěn)定性校核強度校核滿足強度條件穩(wěn)定性校核滿足穩(wěn)定性條件滿足穩(wěn)定性條件滿足穩(wěn)定性條件水壓試驗時的應(yīng)力校核筒體滿足強度要求滿足強度要求滿足穩(wěn)定性條件裙座滿足穩(wěn)定性條件滿足穩(wěn)定性條件基礎(chǔ)環(huán)設(shè)計基礎(chǔ)環(huán)尺寸Dob=1500mm，Dib=900mm，Sb=20mm基礎(chǔ)環(huán)的應(yīng)力校核滿足要求地腳螺栓設(shè)計地腳螺栓直徑M36，地腳螺栓個數(shù)n=126.12開孔補強本設(shè)計中開孔采用補強圈補強。補強圈補強結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，價格低廉，可就地取材，使用經(jīng)驗也比較成熟，所以廣泛應(yīng)用于中、低壓的壓力容器。人孔的補強圈補強：1.計算削去的承受應(yīng)力所需的金屬截面按簡化計算：（6-69）依題意式中的（6-70）補強圈材料選用16MnR，其在100°C的（6-71）式中：去掉接管壁厚附加量后的接管內(nèi)直徑，，mm；接管內(nèi)直徑，mm；接管的壁厚附加量，此次設(shè)計時為0；在開孔處殼體承受應(yīng)力所必需的最小厚度，mm。若開孔不在筒體的焊縫上，則（6-72）于是2.多余截面（1）有效區(qū)范圍B=2d=468×2=936mm（6-73）（6-74）