0014-年處理量9萬噸苯-甲苯精餾浮閥塔設(shè)計（CAD圖+論文+翻譯）,處理,萬噸苯,甲苯,精餾,浮閥塔,設(shè)計,cad,論文,翻譯 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 學(xué) 院： 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 題 目： 年處理量9萬噸苯—甲苯精餾浮閥塔設(shè)計 設(shè)計（論文）內(nèi)容及要求： 一、 已知設(shè)計參數(shù)： 1.處理量：90000t/a (300天) 料液組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：25% 塔頂產(chǎn)品組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：98% 2.塔頂易揮發(fā)組分回收率：99% 操作條件： 操作壓力：101.3KPa(塔頂表壓) 進(jìn)料狀態(tài)：泡點進(jìn)料（q=1） 加熱方式：間接蒸汽加熱 單板壓降：0.8KPa 環(huán)境：衡陽室外 二、 設(shè)計內(nèi)容及設(shè)計工作量要求： （1）按所給設(shè)計參數(shù)完成分離塔的施工圖設(shè)計; （2）繪制設(shè)計圖紙總計3張零號以上，其中要求手工繪圖1張壹號以上； （3）設(shè)計說明書字?jǐn)?shù)不少于1.5萬字，并要求統(tǒng)一用A4紙打??； （4）翻譯3千左右漢字量的與畢業(yè)設(shè)計有關(guān)的英文資料； （5） 撰寫相當(dāng)于3百漢字的英文摘要。 三、 主要參考資料: 《化工設(shè)備設(shè)計全書（塔設(shè)備）》 《化工原理》 《化工工藝設(shè)計手冊》 GB150-1998《鋼制壓力容器》 指導(dǎo)老師： 指導(dǎo)教師： 年 月 日 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 設(shè)計（論文）題目 年處理9萬噸苯—甲苯精餾浮閥塔設(shè)計 設(shè)計（論文）題目來源 自選 設(shè)計（論文）題目類型 工程設(shè)計 起止時間 2011.1.4--2011.5.31 一、 設(shè)計（論文）依據(jù)及研究意義： 本設(shè)計依據(jù)《化工工藝設(shè)計手冊》、GB150-1998《鋼制壓力容器》、JB4710-92《鋼制塔式容器》以及HG20562-1998《塔設(shè)計技術(shù)規(guī)定》進(jìn)行。本設(shè)計的作用在于分離化工生產(chǎn)中常用到的兩種重要化工原料—苯和甲苯，意義重大。綜合考慮分離效率、生產(chǎn)制造成本、安裝及維護(hù)等因素，本設(shè)計采用篩板式精餾塔。 二、 設(shè)計（論文）主要研究的內(nèi)容、預(yù)期目標(biāo)（技術(shù)方案、路線）： 本設(shè)計主要從化工工藝、材料選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及塔的機(jī)械設(shè)計進(jìn)行設(shè)計。本設(shè)計路線：分離任務(wù)—工藝流程描繪—工藝計算—材料選型—結(jié)構(gòu)設(shè)計—塔的機(jī)械設(shè)計—附屬設(shè)備選型。預(yù)期目標(biāo)：希望通過本次的畢業(yè)設(shè)計能培養(yǎng)出獨(dú)立設(shè)計的能力，為以后的工作 打下好的基礎(chǔ)，更好的與社會接軌。 三、設(shè)計（論文）的研究重點及難點： 重點是：依據(jù)分離任務(wù)進(jìn)行分離工藝的計算確定塔體和塔板的工藝尺寸，由塔的操作條件完成塔體和裙座的厚度計算，由塔的安裝環(huán)境對塔進(jìn)行強(qiáng)度校核。 難點：一、分離效率的保證 二、塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計 四、設(shè)計（論文）研究方法及步驟（進(jìn)度安排）： 1月6日至2月15日：了解我們所要設(shè)計的試驗裝置，為進(jìn)行設(shè)計做準(zhǔn)備； 2月16日至2月28日：進(jìn)行參觀實習(xí)；寫開題報告； 2月28日至3月18日：查閱資料，找設(shè)計依據(jù)，理出設(shè)計思路； 3月18日至4月24日：具體的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)設(shè)計，求得設(shè)計的各種依據(jù)； 4月25日至5月25日：設(shè)計，畫出設(shè)計圖紙； 5月26日至5月28日；整理圖紙，進(jìn)行打印；排版設(shè)計說明書。 5月29日至5月31日：準(zhǔn)備答辯。 五、進(jìn)行設(shè)計（論文）所需條件： 1、要有充分的資料（與塔設(shè)備有關(guān)、與分離工藝有關(guān)）。 2、到相關(guān)單位進(jìn)行實習(xí)，了解塔設(shè)備的結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)過程中的各種控制方案和原理。 3、設(shè)計所需設(shè)計方法、軟件、工具等。 六、指導(dǎo)教師意見： 簽名： 年 月 日 機(jī)械學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 摘要：在化工、煉油、醫(yī)藥、食品及環(huán)境保護(hù)等工業(yè)部門，塔設(shè)備是一種重要的單元操作設(shè)備。它可以實現(xiàn)氣（汽）-液相或液-液相之間的充分接觸，從而達(dá)到相際間進(jìn)行傳質(zhì)及傳熱的目的。苯和甲苯都是化工生產(chǎn)中的重要原料。因此，將苯和甲苯從其混合物中分離出來意義重大。設(shè)計一座連續(xù)浮閥塔，通過對原料，產(chǎn)品的要求和物性參數(shù)的確定及對主要尺寸的計算，工藝設(shè)計和附屬設(shè)備結(jié)果選型設(shè)計，完成對苯-甲苯精餾工藝流程和主體設(shè)備設(shè)計 關(guān)鍵詞：精餾塔；浮閥塔；苯；甲苯 Abstract: The tower equipment is an important unit operation equipment in industry sectors,for instrance, chemical industry, refinery, medicine, food , environmental protection,and so on.It can realize the steam between the liquid phase or the fluid - liquid phase contect deeply, thus achieveing the border carries on the mass transfer and the heat transfer goal.The distillation is the separation of liquid mixtures most commonly used as an. unit operation in chemical industry, oil refining, petrochemical and other industries. The design mission is to produce an important chemical raw material from a mixture of benzene and toluene, it will be a great significance if the material can be separated from its mixture of benzene and toluen. The design of a continuous distillation valve column, in the material, product requirements and the main physical parameters and to determine the size, process design and selection of equipment and design results, completion of the benzene-toluene distillation process and equipment design theme Keywords : rectification column； valve tower； Benzene；Toluene 目錄 緒論 1 0.1設(shè)計題目 1 0.2精餾及精餾流程 1 0.3精餾的分類 1 0.4精餾操作的特點 2 0.5塔板的類型與選擇 2 一、設(shè)計方案的選擇和論證 3 1.1 設(shè)計流程 3 1.2 設(shè)計思路 3 二、浮閥塔結(jié)構(gòu)設(shè)計 6 2.1基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù) 6 2.1.1原料液及塔頂，塔底產(chǎn)品的摩爾分率 6 2.1.2原料液及塔頂，塔底產(chǎn)品的平均摩爾分率 7 2.2塔板數(shù)的確定 7 2.2.1理論層數(shù)NT的求取 7 2.2.2實際板數(shù)Np的求取 10 2.3.1操作壓力的計算 10 2.3.2操作溫度的計算 10 2.3.3平均摩爾質(zhì)量的計算 10 2.3.4平均密度的計算 11 2.4精餾塔的工藝尺寸的計算 12 2.4.1塔徑的計算 12 2.4.2精餾塔有效高度的計算 13 2.5塔板主要工藝尺寸的計算 13 2.5.1降液管的選擇與計算 13 2.5.2溢流堰的選擇與計算 14 2.5.3受液盤和底隙 15 2.5.4塔盤及其布置 15 三、塔板流動性能校核 18 3.1液沫夾帶量校核 18 3.2塔板阻力hf的計算 18 3.3降液管液泛校核 19 3.4液體在降液管內(nèi)的停留時間 19 3.5嚴(yán)重漏夜校核 19 3.6塔板負(fù)荷性能圖 20 3.6.1過量液沫夾帶線關(guān)系式 20 3.6.2液相下限線關(guān)系式 20 3.6.3嚴(yán)重漏夜線關(guān)系式 20 3.6.4液相上限線關(guān)系式 21 3.6.5降液管液泛線關(guān)系式 21 四、浮閥塔載荷分析及強(qiáng)度校核 23 4.1筒體和封頭厚度計算 23 4.2載荷分析 24 4.2.1塔設(shè)備質(zhì)量載荷計算 24 4.2.2自振周期的計算 27 4.2.3地震載荷與地震彎矩的計算 27 4.2.4風(fēng)載荷與風(fēng)彎矩的計算 29 4.2.5最大彎矩 33 4.3強(qiáng)度校核 34 4.3.1圓筒軸向力校核和圓筒穩(wěn)定性校核 34 4.3.2塔設(shè)備壓力試驗時的應(yīng)力校核 35 4.3.3裙座軸向應(yīng)力校核 36 4.3.4基礎(chǔ)環(huán)和地腳螺栓設(shè)計及校核 38 4.3.5筋板設(shè)計及校核 40 4.3.6蓋板設(shè)計及校核 41 4.3.7裙座與塔殼的對接焊縫 42 4.3.8接管的計算與選擇 43 4.4開孔及開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計 44 4.4.1補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu) 44 4.4.2開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計準(zhǔn)則 45 4.4.3允許不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大開孔直徑 45 4.4.4等面積補(bǔ)強(qiáng)計算 46 五、英文文獻(xiàn)翻譯 53 主要符號說明 96 參考文獻(xiàn) 98 結(jié)束語 99 第vi頁 緒論 0.1設(shè)計題目 苯－甲苯連續(xù)精餾塔的工藝設(shè)計（浮閥塔） 0.2精餾及精餾流程 精餾是多級分離過程，即同時進(jìn)行多次部分汽化和部分冷凝的過程。因此可是混合物得到幾乎完全的分離。精餾可視為由多次蒸餾演變而來的。 精餾操作廣泛用于分離純化各種混合物，是化工、醫(yī)藥、食品等工業(yè)中尤為常見的單元操作。化工成產(chǎn)中，精餾主要用于以下幾種目的: ⑴獲得餾出液塔頂?shù)漠a(chǎn)品； ⑵將溶液多級分離后，收集餾出液，用于獲得甲苯，氯苯等； ⑶脫出雜質(zhì)獲得純凈的溶劑或半成品，如酒精提純，進(jìn)行精餾操作的設(shè)備叫做精餾塔。 精餾過程中采用連續(xù)精餾流程，原料液經(jīng)預(yù)熱器加熱到指定溫度后，送入精餾塔的進(jìn)料板，在進(jìn)料板上與自塔頂上部下降的回流液體匯合后，逐板溢流，最后流入塔底再沸器中。在每層板上，回流液體與上升蒸汽互相接觸，進(jìn)行熱和質(zhì)的傳遞過程。操作時，連續(xù)地從再沸器取出部分液體作為塔底產(chǎn)品，部分汽化，產(chǎn)生上升蒸汽，依次通過各層塔板。塔頂蒸汽進(jìn)入冷凝器中被全部冷凝，并將部分冷凝液用泵送回塔頂作為回流液體，其余部分經(jīng)冷卻器后被送出作為塔頂產(chǎn)品。 根據(jù)精餾原理可知，單有精餾塔還不能完成精餾操作，必須同時擁有塔底再沸器和塔頂冷凝器，有時還有配原料液，預(yù)熱器、回流液泵等附屬設(shè)備，才能實現(xiàn)整個操作。 0.3精餾的分類 按操作方式可分為:間歇式和連續(xù)式，工業(yè)上大多數(shù)精餾過程都是采用連續(xù)穩(wěn)定的操作過程。 化工中的精餾操作大多數(shù)是分離多組分溶液。多組分精餾的特點： ⑴能保證產(chǎn)品質(zhì)量，滿足工藝要求，生產(chǎn)能力大； ⑵流程短，設(shè)備投資費(fèi)用少； ⑶耗能量低，收率高，操作費(fèi)用低； ⑷操作管理方便。 0.4精餾操作的特點 從上述對精餾過程的簡單介紹可知，常見的精餾塔的兩端分別為汽化成分的冷凝和液體的沸騰的傳熱過程，精餾塔也就是一種換熱器。但和一般的傳熱過程相比，精餾操作又有如下特點： （1)沸點升高 精餾的溶液中含有沸點不同的溶劑，在相同的壓力下溶液的蒸汽壓較同溫度下純?nèi)軇┑钠瘔旱停谷芤旱姆悬c高于醇溶液的沸點，這種現(xiàn)象稱為沸點的升高。在加熱汽化溫度一定的情況下，汽化溶液時的傳熱溫差必定小于加熱純?nèi)軇┑募儨夭睿胰芤旱臐舛仍礁?，這種影響也越顯著。 （2)物料的工藝特性? 精餾溶液本身具有某些特性，如某些物料在加入到溶液中時可與溶液中的某一組分或幾組分形成恒沸液等。如何利用物料的特性和工藝要求，選擇適宜的精流流程和設(shè)備是精餾操作彼此需要知道和必須考慮的問題。 （3)節(jié)約能源 精餾汽化的溶劑量較大，需要消耗較大的加熱蒸汽。如何充分利用熱量提高加熱蒸汽的利用率是精餾操作需要考慮的另一個問題。 0.5塔板的類型與選擇 塔板是板式塔的主要構(gòu)件，分為錯流式塔板和逆流式塔板兩類 ，工業(yè)應(yīng)用以錯流式 塔板為主，常用的錯流式塔板有：泡罩塔板、篩孔塔板和浮閥塔板。我們應(yīng)用的是浮閥塔板，因為它是在泡罩塔板和篩孔塔板的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它吸收了兩種塔板的優(yōu)點。它具有結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，造價低；塔板開孔率大，生產(chǎn)能力大；由于閥片可隨氣量變化自由升降，故操作彈性大，因上升氣流水平吹入液層，氣液接觸時間較長，故塔板效率較高。 一、設(shè)計方案的選擇和論證 1.1 設(shè)計流程 本設(shè)計任務(wù)為分離苯__甲苯混合物。對于二元混合物的分離，采用連續(xù)精餾流程。設(shè)計中采用泡點進(jìn)料，將原料液通過預(yù)熱器加熱至泡點后送入精餾塔內(nèi)。塔頂上升蒸氣采用全凝器冷凝，冷凝液在泡點下一部分回流至塔內(nèi)，其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷凝器冷卻后送至儲罐。該物系屬易分離物系，最小回流比較小，故操作回流比取最小回流比的2倍。塔釜采用間接蒸汽加熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲罐。 連續(xù)精餾塔流程流程圖 連續(xù)精餾流程附圖 圖1-1 流程圖 1.2 設(shè)計思路 在本次設(shè)計中，我們進(jìn)行的是苯和甲苯二元物系的精餾分離，簡單蒸餾和平衡蒸餾只能達(dá)到組分的部分增濃，如何利用兩組分的揮發(fā)度的差異實現(xiàn)高純度分離，是精餾塔的基本原理。實際上，蒸餾裝置包括精餾塔、原料預(yù)熱器、蒸餾釜、冷凝器、釜液冷卻器和產(chǎn)品冷卻器等設(shè)備。蒸餾過程按操作方式不同，分為連續(xù)蒸餾和間歇蒸餾，我們這次所用的就是浮閥式連續(xù)精餾塔。蒸餾是物料在塔內(nèi)的多次部分汽化與多次部分冷凝所實現(xiàn)分離的。熱量自塔釜輸入，由冷凝器和冷卻器中的冷卻介質(zhì)將余熱帶走。在此過程中，熱能利用率很低，有時后可以考慮將余熱再利用，在此就不敘述。要保持塔的穩(wěn)定性，流程中除用泵直接送入塔原料外也可以采用高位槽。 塔頂冷凝器可采用全凝器、分凝器-全能器連種不同的設(shè)置。在這里準(zhǔn)備用全凝器，因為可以準(zhǔn)確的控制回流比。此次設(shè)計是在常壓下操作。 因為這次設(shè)計采用間接加熱，所以需要再沸器?；亓鞅仁蔷s操作的重要工藝條件。選擇的原則是使設(shè)備和操作費(fèi)用之和最低。在設(shè)計時要根據(jù)實際需要選定回流比。 塔板工藝計算 流體力學(xué)驗算 塔負(fù)荷性能圖 全塔熱量衡算 塔附屬設(shè)備計算 圖1-2 設(shè)計思路流程圖 1、本設(shè)計采用連續(xù)精餾操作方式。2、常壓操作。3、泡點進(jìn)料。4、間接蒸汽加熱。5、選R=2.0Rmin。6、塔頂選用全凝器。7、選用浮閥塔。 在此使用浮閥塔，浮閥塔塔板是在泡罩塔板和篩孔塔板的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它吸收了兩者的優(yōu)點，其突出優(yōu)點是可以根據(jù)氣體的流量自行調(diào)節(jié)開度，這樣就可以避免過多的漏液。另外還具有結(jié)構(gòu)簡單，造價低，制造方便，塔板開孔率大，生產(chǎn)能力大等優(yōu)點。浮閥塔一直成為化工生中主要的傳質(zhì)設(shè)備，其多用不銹鋼板或合金 。近年來所研究開發(fā)出的新型浮閥進(jìn)一步加強(qiáng)了流體的導(dǎo)向作用和氣體的分散作用，使氣液兩相的流動接觸更加有效，可顯著提高操作彈性和效率。 從苯—甲苯的相關(guān)物性中可看出它們可近似地看作理想物系。而且浮閥與塔盤板之間的流通面積能隨氣體負(fù)荷的變動而自動調(diào)節(jié)，因而在較寬的氣體負(fù)荷范圍內(nèi)，均能保持穩(wěn)定操作。氣體在塔盤板上以水平方向吹出，氣液接觸時間長，霧沫夾帶量少，液面落差也較小。 二、浮閥塔結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù) 表1-1 苯、甲苯的粘度 溫度℃ 0 20 40 60 80 100 120 苯 0.638 0.485 0.381 0.308 0.255 0.215 甲苯 0.758 0.58 0.459 0.373 0.311 0.264 0.228 表1-2 苯、甲苯的密度 溫度℃ 0 20 40 60 80 100 120 苯 -- 877.4 857.3 836.6 815.0 792.5 767.9 甲苯 885.6 867.0 848.2 829.3 810.0 790.3 770.0 表1-3 苯、甲苯的表面張力 溫度℃ 0 20 40 60 80 100 120 苯 31.60 28.80 26.25 23.74 21.27 18.85 16.49 甲苯 30.89 28.54 26.22 23.94 21.69 19.49 17.34 表1-4 苯、甲苯的摩爾定比熱容 溫度℃ 0 50 100 150 苯 72.7 89.7 104.8 118.1 甲苯 93.3 113.3 131.0 146.6 表1-5 苯、甲苯的汽化潛熱 溫度℃ 20 40 60 80 100 120 苯 431.1 420.0 407.7 394.1 379.3 363.2 甲苯 412.7 402.1 391.0 379.4 367.1 354.2 2.1.1原料液及塔頂，塔底產(chǎn)品的摩爾分率 苯的摩爾質(zhì)量 MA=78kg/kmol 甲苯的摩爾質(zhì)量 MB=92kg/kmol XF==0.282 XD==0.983 XW==0.012 2.1.2原料液及塔頂，塔底產(chǎn)品的平均摩爾分率 MF=0.282×78＋(1－0.282)×92=88.05 kg/kmol MD=0.983×78＋(1－0.983)×92=78.24 kg/kmol MW=0.012×78＋(1－0.012)×92= 91. 83kg/kmol 2.1.3物料衡算 原料處理量 F==141.96kmol/h 總物料衡算 141.96=D+W 苯物料衡算 141.96×0.282=0.983D+0.012W 聯(lián)立解的 D=39.474kmol/h W=102.486kmol/h 2.2塔板數(shù)的確定 2.2.1理論層數(shù)NT的求取 苯—甲苯是理想物系，可以用逐板法求取理論板數(shù)。 已知：XF =0.282； XD =0.983； XW =0.012； q=1； 查得苯—甲苯的相對揮發(fā)度α=2.5 由q=1時Xe =XF 1) 操作回流比的確定 =0.495 苯—甲苯是理想物系,在最小回流比時，精餾段操作線的斜率為 最小回流比 =2.291 取操作回流比為 R=1.6Rmin=1.6×2.291=3.66 2) 逐板法塔板數(shù)的求取 相平衡方程 （a） 精餾段操作線方程 （b） 提餾段操作線方程 代入得 即 （c） 泡點進(jìn)料 q=1 第一塊塔板上升蒸汽組成 從第一塊板下降的液體組成由式（a） 求得 由第二塊板上升的氣相組成由式（b）求得 由第二塊板下降的液體組成 由此反復(fù)計算得 = 0.9666 =0.9205 = 0.9336 =0.8490 =0.8775 =0.7413 = 0.7929 =0.6050 =0.6859 =0.4662 = 0.5770 =0.3530 =0.4881 ＝0.2761 =0.4277 =0.2301<0.25 因為<,從第十一塊板上升的氣相組成由提餾段操作方程（c）計算 由第十一塊板下降的液體組成 由此反復(fù)計算得 = 0.2701 =0.1289 = 0.1963 =0.0890 = 0.1316 =0.0572 = 0.0821 =0.0345 = 0.0467 =0.0192 = 0.0229 =0.0093〈0.01 所需總理論板數(shù)為17塊，第塊11加料，精餾段需10塊，板提餾段需6塊板 2.2.2實際板數(shù)Np的求取 全塔效率 ==0.544 實際塔板數(shù) 精餾段塔板數(shù) =18.3819 提留段塔板數(shù) 所需實際塔板數(shù)為31塊，第19塊加料，精餾段需18塊，提餾段需12塊板 2.3精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的的計算 2.3.1操作壓力的計算 塔頂操作壓力 PD=101.3kPa 每層塔板壓降 ΔP=0.8 kPa 進(jìn)料板壓力 PF=101.3+0.8×19=116.5kPa 精餾段平均壓力 Pm=（101.3+116.5）/2=108.9kPa 2.3.2操作溫度的計算 由泡點方程通過試差法計算出泡點溫度 塔頂溫度 =82.2℃ 進(jìn)料板溫度 =99.5℃ 精餾段平均溫度 =（82.2+99.5）/2=90.8℃ 2.3.3平均摩爾質(zhì)量的計算 1) 塔頂摩爾質(zhì)量的計算 由 由上面計算得 0.958 0.983×78+（1-0.983）×92=78.23kg/kmol 0.958×78+（1-0.958）×92=78.59kg/kmol 2) 進(jìn)料板平均摩爾質(zhì)量的計算 由以上計算的0.4277 0.2301 0.4277×78+（1-0.4277）×92=86.01 kg/kmol 0.2301×78+（1-0.2301）×92=88.78 kg/kmol 3) 精餾段平均摩爾質(zhì)量 （78.23+86.01）/2=82.12kg/kmol （78.59+88.78）/2=83.69 kg/kmol 2.3.4平均密度的計算 1)氣相平均密度的計算 由理想氣體狀態(tài)方程計算，即 kg/m3 2)液相平均密度的計算 a)塔頂液相平均密度 由tD=82.2℃， 查手冊得812.7 kg/m3 802.9 kg/m3 812.502 kg/m3 b)進(jìn)料液相平均密度 由tF=99.5℃， 查手冊得812.7 kg/m3 786.7 kg/m3 則進(jìn)料液相的質(zhì)量分率 kg/m3 3)精餾段液相平均密度（812.502+727.466）/2=769.984 kg/m3 2.4精餾塔的工藝尺寸的計算 2.4.1塔徑的計算 根據(jù)液相流量參考課本選取單溢流型塔板，則 精餾段的氣液相負(fù)荷 L=RD=3.66×39.474=144.47 V=（R+1）D=(3.66+1)×39.474=183.95 精餾段的氣液相體積流率 =1.42m3/s =0.0041 m3/s 由 其中 其中 =0.092 取板間距HT=0.6m，板上液層高度hL=0.06m則 HT- hL=0.60-0.06=0.54m 查圖=0.075 =0.0753 帶入得 ==1.21m/s 取設(shè)計泛點率為0.75，則空塔氣速為 m/s 則汽相通過的塔截面積 A=（m2） 塔截面積為汽相流通截面積A與降液管面積Ad之和。 D== m 圓整后為D=1.6m 塔截面積2.011m2 實際空塔氣速 u=1.42/2.011=0.706m/s 2.4.2精餾塔有效高度的計算 精餾段有效高度為 （18-1）×0.60=10.2m 提餾段有效高度為 （12-1）×0.60=6.6m 在進(jìn)料板上方開一人孔，其高度為0.8m 故精餾塔的有效高度為 10.2+6.6+0.8=18m 2.5塔板主要工藝尺寸的計算 由于塔徑為1600mm,所以選用分塊式塔板，塔板結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.1 圖2.1單溢流分塊式弓型塔板 2.5.1降液管的選擇與計算 1)降液管的選擇 根據(jù)工藝條件，選取使用弓形降液管，又由考慮到塔徑為一般塔徑，所以選擇如下圖2.2所示的降液管。 圖2.2降液管 2)降液管主要尺寸的選擇 由塔經(jīng)D=1.6m，查資料得以下數(shù)據(jù) 降液管寬度Wd= 表2.1塔板的參數(shù) 塔經(jīng)D/mm 塔截面積/m2 (/)/% /D 弓形降液管 降液管面積/m2 堰長/mm 堰寬/mm 1600 2.011 10.3 0.732 1171 255 0.207 2.5.2溢流堰的選擇與計算 1)堰長 因/D=0.732，D=1.6 故 =1171m 2)堰高 選用平直堰，堰上液層高度 E近似為1則 =0.0161m 取板上清液層高度83mm 故 =0.083-0.0161=0.0669m 2.5.3受液盤和底隙 根據(jù)工藝參數(shù)與工藝操作條件選取平行受液盤 底隙選為35mm。 2.5.4塔盤及其布置 1)塔板分塊 由于塔經(jīng)D=1.6m故采用分塊式塔板，根據(jù)表2.2，塔板分為四塊。 表2.2 塔徑/mm 800~1200 1400~1600 1800~2000 2200~2400 塔板分塊數(shù) 3 4 5 6 2)邊緣區(qū)寬度的確定 取塔板上液體進(jìn)、出口安定區(qū)寬度m m 3)有效傳質(zhì)面積計算 傳質(zhì)面積 其中 =0.1913 =0. 75 故 =0.206m 2 4)浮閥數(shù)及其排列 浮閥數(shù) 由工藝和物料操作特點選取F1重型浮閥如圖2.3所示，閥孔直徑d0=0.039m 圖2.3 初選閥孔動能因子F0=11，計算閥孔氣速 =6.40m/s 浮閥個數(shù) =185.83186 浮閥排列方式 開孔所占面積 =0.222m2 采用等腰三角形叉排，計算孔心距 由開孔區(qū)內(nèi)閥孔所占面積分?jǐn)?shù)解得 其中 =0.3134m 根據(jù)估算提供孔心距t進(jìn)行布孔，并按實際可能的情況進(jìn)行調(diào)整來確定浮閥的實際個數(shù)n，按t=300mm進(jìn)行布孔，實際閥數(shù)n=120 如圖2.4所示 圖2.4 開孔區(qū)內(nèi) 重新計算塔板以下參數(shù) 閥孔氣速 =9.91 m/s 動能因子 =17 塔板開孔率 =0.13 由于物料的腐蝕性較小，故塔板材料選Q235，通常，鋼板的厚度為3～4mm，不銹鋼塔板的厚度是2～2.5mm。所以塔板厚度去=3mm 三、塔板流動性能校核 3.1液沫夾帶量校核 為控制液沫夾帶量過大，應(yīng)使泛點。 由 其中CF由塔板上氣相密度ρv及塔板間距HT，查圖的系數(shù)CF=0.16根據(jù)表5-11所提供數(shù)據(jù)，本物系參數(shù)K值可選取1，帶入可得 =0.625 所得泛點率低于0.8，故不會產(chǎn)生過量的液沫夾帶 3.2塔板阻力hf的計算 1)干板阻力ho 臨界氣速 =5.79<=9.91 m/s 由于閥孔氣速小于臨界氣速，故應(yīng)依據(jù)閥未全開公式計算干板阻力 =0.0386m 2)塔板清液層阻力hl =0.03m 3)克服表面張力阻力 m 由以上三項阻力之和求得塔板阻力hf 0.0386+0.03+0.000277=0.068877m 3.3降液管液泛校核 流體流經(jīng)降液管底隙的阻力 =0.00175m 浮閥塔上的液面落差Δ一般較小，可以忽略不計。 =0.08m 苯—甲苯屬于一般物系，取，降液管中泡沫層的高度 0.0035m 因為0.4+0.0161=0.4161>,故不會發(fā)生液泛。 3.4液體在降液管內(nèi)的停留時間 必須保證液體在降液管內(nèi)的停留時間必須大于3-5s才能保證液體所夾帶氣體的釋出 ==21.6585>5 故所夾帶氣體可以釋出。 3.5嚴(yán)重漏夜校核 當(dāng)閥孔的動能因子低于5時將發(fā)生嚴(yán)重漏夜，故漏夜點的孔速可取5的相應(yīng)孔流氣速 =2.907m/s 穩(wěn)定系數(shù) =3.4>1.5 故不會發(fā)生嚴(yán)重漏夜 3.6塔板負(fù)荷性能圖 3.6.1過量液沫夾帶線關(guān)系式 根據(jù)資料一般的大塔，F(xiàn)1<0.8-0.82,另F1=0.8則根據(jù)前面計算液沫夾帶的式子可以整理出 即 此為一線性方程，在圖上表示過量液沫夾帶線（1） 3.6.2液相下限線關(guān)系式 對于平直堰，其堰上液頭高度how必須要大于0.006，取how=0.006，即可確定液相流的下限線 該線是垂直于Lh軸的直線，在圖上表示（2） 3.6.3嚴(yán)重漏夜線關(guān)系式 因為動能因子小于5時發(fā)生嚴(yán)重漏夜，故取Fo=5，計算相應(yīng)的氣相流率 =7920.072 該線是平行于Lh軸的直線，為漏夜線，在圖上表示（3） 3.6.4液相上限線關(guān)系式 當(dāng)t=5s時，降液的最大流量是 = =4550.688 該線是平行于Vh軸的直線，在圖上表示（4） 3.6.5降液管液泛線關(guān)系式 根據(jù)降液管液泛的條件，得以下降液管液泛工況下的關(guān)系 為避免降液管液泛的發(fā)生，應(yīng)使 整理得 其中 分別帶入可整理得： 將前面的計算結(jié)果帶入上式的： =0.196 計算降液管上液泛線上點得如下表3.1 表3.1 Ls(m2/h) 10 20 30 40 50 60 Vs(m2/h) 352.3681 346.5938 333.7652 321.483 299.8364 278.7567 由圖表數(shù)據(jù)做出降液管的液泛線，記做線（5） 將以上的各條線繪制在同一個直角坐標(biāo)系中得塔板負(fù)荷性能圖 因為設(shè)計壓力P=0.11Mpa,屬于低壓化工設(shè)備，一類容器；塔內(nèi)物料苯和甲苯對鋼材的腐蝕性較輕微，故塔體和封頭材料選用低合金鋼板16MnR。 四、浮閥塔載荷分析及強(qiáng)度校核 4.1筒體和封頭厚度計算 根據(jù)設(shè)計壓力和液柱靜壓力確定計算壓力 塔內(nèi)液柱高度僅考慮塔底至液封盤液面高度=2.34m， 液柱靜壓力==＜，可忽略。 P=(1.05--1.10) =(1.05--1.10) 0.1013=（0.108--0.113）MPa 取p=0.11MPa 計算壓力 低壓容器的圓筒厚度計算式為： 查【5】表D1鋼板許用應(yīng)力 在設(shè)計溫度為150℃時，16MnR的許用應(yīng)力為=170， 查【5】表4-3 鋼制壓力容器的焊接接頭系數(shù)值， 在制造中采用雙面焊對接接頭和相當(dāng)于雙面焊的全熔透對接接頭，故焊接接頭系數(shù)值取0.85。將、 值代入上式得mm 圓筒設(shè)計厚度 式中 為腐蝕裕量，在無特殊腐蝕情況下，對于碳素鋼和低合金鋼，不小于1mm，故取=2mm。 為鋼材負(fù)偏差，使用中鋼板厚度超過5mm時（如20R、16MnR和16MnDR等）可取=0，故=2+0=2mm 圓筒設(shè)計厚度 根據(jù)剛度要求，筒體所需最小厚度 ＝==3.2㎜ ； 且 不小于3㎜ ， 故按剛度條件，筒體厚度僅需4㎜ ； 考慮到此塔較高，風(fēng)載荷較大，而塔的內(nèi)徑不太大，故應(yīng)適當(dāng)增加厚度，現(xiàn)假設(shè)塔體厚度＝12㎜，剛假設(shè)的塔體有效厚度 ＝－C1－C2＝12-0-2＝10㎜ ； 圓整并根據(jù)【4】附表4-1 所以取圓筒名義厚度為=12mm,則圓筒有效厚度=-= 封頭厚度計算公式為： 封頭設(shè)計厚度=+=0.605+mm 封頭名義厚度與圓筒一樣，取為12mm 封頭有效厚度=-= 4.2載荷分析 4.2.1塔設(shè)備質(zhì)量載荷計算 質(zhì)量載荷示意如圖4.1 塔設(shè)備的操作質(zhì)量: 塔設(shè)備的最大質(zhì)量: 塔設(shè)備的最小質(zhì)量 圖4.1 : ⑴塔體總質(zhì)量 1)筒體質(zhì)量 塔板總間距=(塔板總數(shù)N-1)×HT=30×600=18000mm 筒體頂部空間高度（即第一塊塔板到上封頭切線處距離）取為1200mm； 筒體底部空間高度（即最后一塊塔板到下封頭切線處距離）取為3000mm; 筒體總高H=18000+4×800+1200+3000=25400mm=25.4m。 查【4】附表4-1得一米高筒節(jié)理論質(zhì)量為199 筒體質(zhì)量=199×25.4=5054.6 2)封頭質(zhì)量 查【4】附表4-3得公稱直徑為1600mm厚度為8mm的橢圓封頭的質(zhì)量為229.63， 查【4】附表4-2 以內(nèi)徑為公稱直徑的橢圓封頭的型式和尺寸得曲邊高度為400mm 封頭質(zhì)量=2×229.63=459.26 3)裙座質(zhì)量 取裙座高度為3060mm，裙座材料選Q235-A，一米高裙座理論質(zhì)量為199 裙座質(zhì)量=199×3.06=608.94 所以塔體總質(zhì)量=筒體質(zhì)量+封頭質(zhì)量+裙座質(zhì)量 即 =++=5054.6+459.26+608.94=6123 ⑵塔段內(nèi)件質(zhì)量： 查【4】表5-4 塔設(shè)備部分零件質(zhì)量載荷估算表 得 浮閥塔塔盤質(zhì)量載荷為75 所以 ⑶保溫層質(zhì)量： 取保溫層厚度為=100mm 查【4】表5-4 塔設(shè)備部分零件質(zhì)量載荷估算表 得 保溫層質(zhì)量載荷為300，查【4】附表4-2 以內(nèi)徑為公稱直徑的橢圓封頭的型式和尺寸 得封頭的容積為0.5864,以保溫層外徑為內(nèi)徑的橢圓型封頭的容積為0.8652。 所以 = 式中 為封頭保溫層質(zhì)量 ⑷平臺、扶梯質(zhì)量（）： 查【4】表5-4 塔設(shè)備部分零件質(zhì)量載荷估算表 得 平臺質(zhì)量，籠式扶梯質(zhì)量 塔設(shè)備總高=筒體總高+單個封頭曲邊高度+裙座高度=25400+400+3060=28860mm=28.86m 塔設(shè)備總高取為29m, 籠式扶梯總高取為HF=28m，平臺數(shù)量n取4 則 = =3428 ⑸操作時塔內(nèi)物料質(zhì)量（）： 查【4】附表4-2 得封頭容積=0.5864m3 則 =6595 ⑹人孔、接管、法蘭等附件質(zhì)量， 按經(jīng)驗取附件質(zhì)量為=0.25=0.25×6123=1531 ⑺充液質(zhì)量 ==52213 塔設(shè)備的操作質(zhì)量 =6123+4872+4295+3428+6595+1531 =26844 塔設(shè)備的最大質(zhì)量 =6123+4872+4295+3428+52213+1531 =72462 塔設(shè)備的最小質(zhì)量 =6123+0.2×4872+4295+3428+1531=16351 4.2.2自振周期的計算 分析塔設(shè)備的振動時，一般情況下不考慮平臺及外部接管的限制作用以及地基變形的影響，而將塔設(shè)備看成是頂端自由，底部剛性固定，質(zhì)量沿高度連續(xù)分布的懸臂梁，其基本震型的自振周期按【5】 （7-5）式第一振型計算式： 其中為塔單位高度上的質(zhì)量即 所以== 4.2.3地震載荷與地震彎矩的計算 當(dāng)發(fā)生地震時，塔設(shè)備作為懸臂梁，在地震載荷作用下產(chǎn)生彎曲變形。安裝在七度或七度以上地震烈度地區(qū)的塔設(shè)備必須考慮它的抗震能力，計算出它的地震載荷。其計算示意圖如圖4.2 圖4.2 首先，選取計算截面（包括危險截面）。該課題中將全塔分為5段。其計算截面分別為0-0、1-1、2-2、3-3、4-4，其中0-0、1-1、2-2為危險截面。 由【5】表7-9取第二組Ⅱ類場地土的特性周期為=0.3 由【4】7-10取設(shè)防烈度為7時地震影響系數(shù)最大值為=0.23。 地震影響系數(shù)根據(jù)場地土的特性周期及塔的自振周期由分析設(shè)計方法確定 且不得小于=0.23×0.2=0.046 即==0.052＞ 設(shè)等直徑、等壁厚塔設(shè)備的任意截面距地面的高度為，基本振型在截面處產(chǎn)生的地震彎矩為 式中為塔單位高度上的質(zhì)量即 當(dāng)塔設(shè)備H/D＞15時，還需考慮高振型的影響，這時應(yīng)根據(jù)第一、二、三振型，分別計算其水平地震力及地震彎矩。然后根據(jù)振型組合的方法確定作用于質(zhì)點處的最大地震力及地震彎矩。這樣的計算方法很復(fù)雜，所以在進(jìn)行穩(wěn)定和其他驗算時，可按一種簡化的由第一振型的計算結(jié)果估算地震彎矩的近似算法即計算 由此可得 底截面處地震彎矩 =1.25××0.5×0.052×26844×9.81×29000 =1.13× 截面1-1處地震彎矩 2.83× 截面2-2處地震彎矩 =2.37× 4.2.4風(fēng)載荷與風(fēng)彎矩的計算 各計算段的外徑均為==1600+2×12=1624mm 塔頂管線外徑：塔頂管線是氣體的出口，已知 設(shè)計壓力： 0.11MPa 設(shè)計溫度： 150℃ 氣體密度： 2.956kg/m3 氣體流量： 0.0041 m3/s 圖4.3 計算示意圖如圖4.3 由氣體狀態(tài)方程可計算出設(shè)計溫度和設(shè)計壓力下的氣體流量 即： 求得==0.025 m3/s 操作氣速為=1.21m/s 則，塔頂管線外徑=385.38mm,圓整后取=400mm 第段保溫層厚度已知為100 取管線保溫層厚度=100mm 籠式扶梯當(dāng)量寬度=400 取各段平臺構(gòu)件的投影面積 為×， 操作平臺當(dāng)量寬度 塔設(shè)備迎風(fēng)面的有效直徑是該段所有受風(fēng)構(gòu)件迎風(fēng)面的寬度總和。 當(dāng)籠式扶梯與塔頂管線布置成180°時 當(dāng)籠式扶梯與塔頂管線布置成90°時,取下列兩式中的較大值 風(fēng)壓高度變化系數(shù)可根據(jù)各計算段頂截面距地面高度查【5】7-5。 體型系數(shù) 風(fēng)壓在不同體型的結(jié)構(gòu)表面分布亦不相同，對細(xì)長的圓柱形塔體結(jié)構(gòu)，體型系數(shù)=0.7. 風(fēng)振系數(shù) 風(fēng)振系數(shù)是考慮風(fēng)載荷的脈動性質(zhì)和塔體的動力特性的折算系數(shù)。對塔高的塔設(shè)備，取1.70。而對于塔高＞時，則按下式計算 已求出塔設(shè)備自振周期， 查【6】表17-2，近似取衡陽地區(qū)基本風(fēng)壓值為350 =400×=998.56 假設(shè)土地粗糙度類別為B類，則由值查【5】表7-6得脈動增大系數(shù)=2.53， 查表7-7得，脈動影響系數(shù)分別為=0.72，=0.72，=0.72，=0.79 =0.82 第段振型系數(shù)可根據(jù)/查7-8得到 各計算段的水平風(fēng)力× 將以上討論數(shù)據(jù)整理如表4.1 表4.1風(fēng)載荷與風(fēng)彎矩的計算 計算內(nèi)容 數(shù)據(jù) 0～1 1～2 2～3 3～4 4～頂 各計算段的外徑() 1624 塔頂管線外徑() 400 第段保溫層厚度() 100 管線保溫層厚度() 100 籠式扶梯當(dāng)量寬度 400 各計算段長度() 1000 2000 7000 10000 9000 操作平臺所在計算段長度() 1000 2000 7000 10000 9000 平臺數(shù) 0 0 1 2 1 操作平臺當(dāng)量寬度 0 0 257.1 360 200 各計算段的有效直徑() 2224 2224 2481 2584 2424 2424 2424 2681 2784 2624 各計算段頂截面距地面高度() 1 3 10 20 29 風(fēng)壓高度變化系數(shù) 1.00 1.00 1.00 1.25 1.42 體型系數(shù) 0.7 風(fēng)振系數(shù) 1.04 1.09 1.69 1.94 2.46 塔設(shè)備自振周期() 1.58 400 998.56 脈動增大系數(shù) 2.53 脈動影響系數(shù) 0.72 0.72 0.72 0.79 0.82 0.053 0.158 0.526 0.689 1 第段振型系數(shù) 0.02 0.05 0.38 0.59 1.00 各計算段的水平風(fēng)力 679 1493 8800 18903 23099 塔設(shè)備任意截面處的風(fēng)彎矩按下式計算： 塔設(shè)備底截面的風(fēng)彎矩為 + 代入數(shù)值得 =679×+1493×（）+8800×（） +18903×（）+23099×（1000+2000+7000+10000+）=9.10× 1-1截面的風(fēng)彎矩為 +代入數(shù)值的得 =1493×（）+8800×（）+18903×（） +23099×（2000+7000+10000+） =8.63× 2-2截面的風(fēng)彎矩為 + 帶入數(shù)值得 =8800×（）+18903×（）+23099×（7000+10000+） =7.58× 偏心彎矩 該塔設(shè)備中無再沸器，故偏心彎矩為0 4.2.5最大彎矩 最大彎矩取和兩者中的較大值 計算數(shù)據(jù)如表4.2 表4.2最大彎矩選擇 計算內(nèi)容 計算公式及數(shù)據(jù) 0～0截面 1～1截面 2～2截面 9.10× 8.63× 7.58× 3.41× 4.98× 4.27× 最大彎矩 9.10× 8.63× 7.58× 4.3強(qiáng)度校核 4.3.1圓筒軸向力校核和圓筒穩(wěn)定性校核 由設(shè)計壓力引起的軸向應(yīng)力==4.4 此應(yīng)力只存在于筒體，裙座上由設(shè)計壓力引起的軸向力為0 操作質(zhì)量引起的軸向應(yīng)力==5.24 最大彎矩引起的軸向應(yīng)力，由此式可計算出： 0-0截面上最大彎矩引起的軸向應(yīng)力72.4 1-1截面上最大彎矩引起的軸向應(yīng)力68.7 2-2截面上最大彎矩引起的軸向應(yīng)力60.4 查【5】附表D1的設(shè)計溫度下16MnR的許用應(yīng)力為170，Q235的許用應(yīng)力為113 載荷組合系數(shù)等于1.2 系數(shù)==0.001175 根據(jù)A值查【5】圖4-7得16MnR在設(shè)計溫度下的系數(shù)B=118，Q235在設(shè)計溫度下的系數(shù)B=93， 許用軸向壓應(yīng)力取KB和K中較小值 對內(nèi)壓容器圓筒最大組合壓應(yīng)力≤， 最大組合拉應(yīng)力≤K就滿足要求 數(shù)據(jù)整理如表4.3 表4.3圓筒組合應(yīng)力計算及校核 計算內(nèi)容 計算數(shù)據(jù) 0～0 1～1 2～2 KB 111.6 111.6 141.6 K 135.6 135.6 204 135.6 135.6 204 圓筒最大組合壓應(yīng)力（） 77.64 73.94 65.64 ≤滿足要求 圓筒最大組合拉應(yīng)力（） 71.56 67.86 59.56 ≤K滿足要求 4.3.2塔設(shè)備壓力試驗時的應(yīng)力校核 進(jìn)行壓力試驗時，試驗壓力=1.25×0.11×=0.1375 查《過程設(shè)備設(shè)計》第二版附表D1得 筒體常溫屈服點=345