二硫化碳四氯化碳连续精馏塔设计.doc

东 北 石 油 大 学石化装备设计综合实训题 目 二硫化碳-四氯化碳连续精馏塔设计 学 院 机械科学与工程学院 专业班级 过程装备与控制工程11-2 学生姓名 学生学号 指导教师 2023年3月21日东北石油大学课程实训任务书课程 石油装备设计综合实训 题目 二硫化碳-四氯化碳连续精馏塔设计专业 过程装备与控制工程 姓名 学号 重要内容： 1设计方案的拟定及工艺流程的说明和绘制；2.塔的工艺计算；3.塔和塔板重要工艺结构的设计计算；4.塔内流体力学性能的设计计算、负荷性能图的绘制；5.塔体的强度校核；6.绘制塔体装配图。设计条件在连续精馏塔中分离二硫化碳和四氯化碳混合液，原料液在泡点下进入塔内，其流量为4000kg/h，组成为0.3（质量分率），馏出液组成为0.90，釜液组成0.025，操作回流比取为最小回流比的1.8倍，操作压强为1atm，全塔操作平均温度为61，空塔速度取0.8m/s，板间距取0.4m，全塔效率取60%，试设计此连续精馏塔。重要参考资料：1GB150-2023，压力容器 S .2郑津洋，董其伍，桑芝富.过程设备设计 M .北京：化学工业出版社,2023.3JB 47102023，钢制塔式容器 S .4SH3098-2023，石油化工塔器设计规范S.完毕期限 2023年3月21日 指导教师 专业负责人 2023年2月24日目 录第1章 工艺综述.11.1 流程的设计及说明11.2 工艺流程图1第2章 塔设备的工艺设计.22.1 已知参数22.2 选塔依据22.3 精馏流程的拟定32.4 塔的物料衡算32.5 塔板数的拟定32.6 塔工艺条件及物性数据计算52.7 精馏塔气液负荷计算8第3章 塔设备的结构设计.93.1 塔和塔板的重要工艺尺寸的计算93.2 筛板的流体力学验算133.3 塔板负荷性能图173.4 接管设计213.5 塔总高度计算21第4章 塔设备的强度校核.234.1 按设计压力初步拟定塔体的厚度234.2 拟定危险截面位置234.3 塔的质量载荷计算234.4 塔的自振周期计算254.5 地震载荷计算254.6 风载荷计算264.7 截面的最大弯矩组合274.8 筒体和裙座危险截面的强度与稳定性校核294.9 筒体和裙座水压实验应力校核304.10 基础环设计314.11 地脚螺栓计算32第5章 设计结果汇总.34参考文献.36第1章 工艺综述1.1 流程的设计及说明自罐区来的渣油、自预解决装置的加氢尾油和自罐区来的加氢尾油通过速度、温度、压力监测装置，通过自动流量控制、通过管道混合器混合，进入原料油缓冲罐；自一段提高管近入返回线、二段提高管进料返回线、开工循环线、油浆返塔线来的油和开工循环油通过截止阀之后分为两部分，第一部分通过102-100-P-2045-4.0A1-ST进入原料油缓冲罐，第二部分通过102-100-P-2045A-4.0A1-ST进入回炼油罐，在原料油缓冲罐中缓冲，其缓冲过程中产生的油气排至102-7-201，沉降后的油通过原料升压泵升压。通过流量自动控制之后作为原料油输送至102-E-205。自102-T-201来的回炼油进入回炼油罐反映，回炼油罐中产生的油气通过截止阀的控制，其中一部分经102-100-P-2046-4.0A1-HI流入102-T-201，另一部分经102-100-P-2046A-4.0A1-PP至管P-2023其中产生的回炼油通过温度和速度的监测，一部分通过截止阀至管P-2037，另一部分回炼油通过回炼油泵升压之后分为两部分，其中一部分通过流量自动控制系统输送至102-T-201，另一部分回炼油通过截止阀控制与来自FL0-5001的冲洗油混合后通过换热器降温并通过温度观测装置达成一定温度标准之后分两部分流出，第一部分通过流量自动控制系统进入102-T-201，第二部分通过流量控制装置之后流入管P-2023，此时来自102-E-205的原料油进入换热装置作为冷凝液，被加热之后与来自FL0-5001的冲洗油混合流入至102-E-206。在换热过程中，被冷凝的回炼油的温度作为传送量通过温度检测控制系统影响原料油的流量，当被冷凝的回炼油的温度高于标准温度，原料油通过换热器时回炼油冷凝，若被冷凝的回炼油的温度低于标准温度，原料油不通过换热器直接被排至102-E-206.1.2 工艺流程图见分馏部分汽提塔及柴油冷却部分工艺管道及仪表流程图第2章 塔设备的工艺设计2.1 已知参数重要基础数据:表2-1 二硫化碳和四氯化碳的物理性质项目分子式分子量沸点密度二硫化碳7646.51.260四氯化碳15476.81.595表2-2 液体的表面压力 (单位:)温度46.55876二硫化碳28.526.824.5四氯化碳23.622.220.2表2-3 常压下的二硫化碳和四氯化碳的气液平衡数据液相中二硫化碳摩尔分率气相中二硫化碳摩尔分率液相中二硫化碳摩尔分率气相中二硫化碳摩尔分率000.39080.63400.02960.08230.53180.74700.06150.15550.66300.82900.11060.26600.75740.87900.14350.33250.86040.93200.25800.49501.01.02.2 选塔依据工业上，塔设备重要用于蒸馏和吸取传质单元操作过程。对于一个具体的分离过程，通常按以下五项标准进行综合评价：(1) 通过能力大，即单位塔截面可以解决得气液负荷高；(2) 塔板效率高；(3) 塔板压减少；(4) 操作弹性大；(5) 结构简朴，制导致本低。而筛板塔是现今应用最广泛的一种塔型，设计比较成熟，具体优点如下：(1) 结构简朴、金属耗量少、造价低廉。(2) 气体压降小、板上液面落差也较小。(3) 塔板效率较高， 改善的大孔筛板能提高气速和生产能力，且不易堵塞塞孔。2.3 精馏流程的拟定二硫化碳和四氯化碳的混合液体通过预热到一定的温度时送入到精馏塔，塔顶上升蒸气采用全凝器冷若冰霜凝后，一部分作为回流，其余的为塔顶产品经冷却后送到贮中，塔釜采用间接蒸气再沸器供热，塔底产品经冷却后送入贮槽。2.4 塔的物料衡算(1) 料液及塔顶塔底产品含二硫化碳的质量分数(2) 平均分子量(3) 物料衡算每小时解决摩尔量总物料衡算易挥发组分物料衡算 联立以上三式可得：2.5 塔板数的拟定(1) 根据二硫化碳和四氯化碳的气液平衡数据作出x-y图,如图2-1所示(2) 进料热状况参数 q =1(3) q线方程(4) 最小回流比及操作回流比R由于是泡点进料，对于二硫化碳与四氯化碳混合液，由相平衡数据可得到不同的相对挥发度取操作回流比精馏段操作线方程 提馏段操作线方程运用图解法求得理论板层数，理论10层，第6级为加料板，故精馏段理论版层数为5，由于再沸器相称于一层理论板，故提馏段理论板层数为4。精馏段塔板数，即取为9层提馏段塔板数，即取为7层全塔实际板数，即取为16层 图2-1 理论板层数的图解法2.6 塔工艺条件及物性数据计算(1) 操作压强的计算Pm塔顶压强：PD=101.3取每层塔板压降P=0.9kPa 则：进料板压强：PF=101.3+90.9=109.4kPa塔釜压强：Pw=101.3+160.9=115.7kPa精馏段平均操作压强：Pm=kPa 提馏段平均操作压强：kPa(2) 操作温度的计算近似取塔顶温度为46.5，进料温度为58，塔釜温度为76精馏段平均温度 提馏段平均温度 (3) 平均摩尔质量计算塔顶摩尔质量的计算：由，查平衡曲线，得=0.897； ；进料摩尔质量的计算：由平衡曲线查得，=0.46，=0.693；塔釜摩尔质量的计算：由平衡曲线查得，=0.05，=0.13；精馏段平均摩尔质量： ； ；提馏段平均摩尔质量：；(4) 平均密度计算：m表2-4 不同温度下的密度及质量分数列表位置温度塔顶 46.512241543进料口 5812061508塔釜 7611771485液相密度：塔顶部分 依下式：（为质量分率） (2-1)其中=0.9，=0.1； 进料板处 由加料板液相组成其中=0.3得=0.7； 塔釜处液相组成其中=0.025，得=0.975；故精馏段平均液相密度：；提馏段的平均液相密度：； 气相密度：精馏段的平均气相密度 提馏段的平均气相密度 液体平均表面张力的计算表2-5 不同温度下的表面张力位置温度塔顶 46.528.41623.669进料口 5826.75922.286塔釜 7624.08920.067液相平均表面张力依下式计算， (2-2) 塔顶液相平均表面张力的计算 由=46.5查手册得：； 进料液相平均表面张力的计算 由=58查手册得：； 塔釜液相平均表面张力的计算 由=76查手册得：；则精馏段液相平均表面张力为：提馏段液相平均表面张力为： 液体平均粘度的计算液相平均粘度依下式计算， (2-3)塔顶液相平均粘度的计算，由=46.5查手册得：，；进料板液相平均粘度的计算：由=58手册得：，；塔釜液相平均粘度的计算： 由=76查手册得：，；2.7 精馏塔气液负荷计算 精馏段 提馏段：第3章 塔设备的结构设计3.1 塔和塔板的重要工艺尺寸的计算 塔径D 板间距=0.4m,取板上液层高度=0.07m 故： 精馏段：已知全塔空塔气速为0.8m/s按下式计算塔径 (3-1)所以塔径D将塔径圆整为0.8m则塔的横截面积 提馏段：已知全塔空塔气速为0.8m/s所以塔径D将塔径圆整为0.8m则塔的横截面积为 溢流装置 采用单溢流、弓形降液管、平形受液盘及平形溢流堰，不设进流堰。各计算如下： 精馏段： 溢流堰长：取堰长=0.7D，即 出口堰高由/D=0.7, ，查手册知：E为1.02依下式得堰上液高度： (3-2)则有；堰高依下式计算 (3-3)则有 ； 降液管宽度与降液管面积由=0.7查手册得 (3-4) (3-5)故 =0.15=0.15 0.8=0.12m； ；降液管内液体的停留时间依下式计算 (3-6) ，停留时间，故降液管尺寸符合规定 降液管底隙高度取液体通过降液管底隙的流速=0.08m/s， 降液管底隙高度依下式计算， (3-7)取 提馏段： 溢流堰长：取，即：； 出口堰高 由 ，查手册知E为1.03堰上液高度：； 降液管宽度与降液管面积有=0.7查手册得；故：=0.15=0.150.8=0.12m; 降液管底隙高度停留时间，故降液管尺寸合理取液体通过降液管底隙的流速=0.08m/s 降液管底隙高度 塔板布置取边沿区宽度=0.035m ,安定区宽度=0.065m 精馏段：依下式计算开孔区面积 (3-8)其中故: ; 提馏段：依下式计算开孔区面积其中 塔板布置及浮阀数目与排列 取阀孔动能因子,计算阀孔气速阀孔气速依下式计算 (3-9)精馏段：提馏段： 塔板上的筛孔数N筛孔数依下式计算 (3-10)精馏段： 提馏段： 浮阀排列方式采用等边三角叉排阀控中心距依下式计算 (3-11) 取t为75mm，排得阀数为57个。对精馏段，按N=57重新核算孔速及阀孔动能因数，依式(2-12) 和(2-13)计算 阀孔动能因数扔在912范围内。塔板开孔率=对提馏段，按N=57重新核算孔速及阀孔动能因数，依式(2-12) 和(2-13)计算 阀孔动能因数变化不大，仍在912范围内。塔板开孔率=图3-1 阀孔排布图 塔有效高度精馏段提馏段有效高度精馏塔的有效高度，3.2 筛板的流体力学验算 气体通过浮阀塔板的压力降： (3-12) 干板阻力：由下式计算干板阻力 (3-13)精馏段：提馏段：精馏段：，用下式计算干板阻力 (3-14)则有 m液柱。提馏段：，用式(2-17)计算干板阻力，即有 m液柱 板上充气液层阻力由图查得充气系数为0.57，由下式计算 (3-15)精馏段：液柱提馏段：液柱 液体表面张力所导致的阻力此阻力很小，忽略不计，由式(2-15)得到，与气体流经一层浮阀塔板的压力降所相称的液柱高度为精馏段： 液柱提馏段： 液柱则单板压降依下式计算 (3-16)精馏段： 提馏段： 液泛 为了防止液泛现象的发生，规定控制降液管中清液层高度 (3-17) 可用下式计算 (3-18) 与气体通过塔板的压力降所相称的液柱高度：前已算出。精馏段：液柱提馏段：液柱 液体通过降液管的压头损失，因不设进口堰，按下式计算 (3-19)精馏段：液柱提馏段：液柱 板上液层高度：前已选定板上液层高度为，则由式(2-21)精馏段：提馏段：取又已选定由式(2-20)精馏段：，符合防止液泛的规定。提馏段：，符合防止液泛的规定。 雾沫夹带按下式计算泛点率泛点率= (3-20)及 泛点率= (3-21)精馏段：板上液体流经长度 由下式计算 (3-22)则有 板上液流面积由下式计算 (3-23)则有取物性系数K=0.85，查得泛点负荷系数,将以上数值代入两式。泛点率=泛点率=两式算出的泛点率均在70%以下，故知雾沫夹带量可以满足的规定。提馏段：板上液体流经长度 板上液流面积取物性系数K=0.85，查得泛点负荷系数,将以上数值代入两式。泛点率=泛点率=两式算出的泛点率均在70%以下，故知雾沫夹带量可以满足的规定。3.3 塔板负荷性能图 雾沫夹带线精馏段：由下式计算 按泛点率为70%计算如下， 整理得 0.0515+0.762=0.0285 (3-24)雾沫夹带线为直线则在操作范围内任取两个值，算出相应的，可作雾沫夹带线表3-1 精馏段雾沫夹带线数据0.0010.010.5380.405提馏段：由式(2-27)，按泛点率为70%计算如下， 整理得0.0581+0.762=0.0283 (3-25)雾沫夹带线为直线则在操作范围内任取两个值，算出相应的，可作雾沫夹带线表3-2 提馏段雾沫夹带线数据0.0010.010.4740.356 液泛线 由上式拟定液泛线，忽略式中，可得 (3-26)因物系一定，塔板结构尺寸一定，则等均为定值，而与又有如下关系，即,式中阀孔数N与孔径亦为定值，因此可将上式简化，精馏段：整理得或 (3-27)在操作范围内取若干个值，算出相应的值：表3-3 精馏段液泛线数据0.0010.0040.0070.8600.6860.317提馏段：整理得或 (3-28)在操作范围内取若干值，算出相应的的值：表3-4 提馏段液泛线数据0.0010.0040.0070.7890.6910.576 液相负荷上限线液体的最大流量应保证在降液管中停留的时间不低于35s，液体在降液管内停留的时间为以=5s作为液体在降液管中停留时间的下限，则精馏段：提馏段：求出上限液体流量值（常数），在图上液相负荷上限线为与气体流量无关的竖直线。 漏液线（气相负荷下限线）对于型重阀，依计算，则已知则得 以作为规定气体最小负荷的标准，则：精馏段：提馏段：据此作出与液体流量无关的水平漏液线液相负荷下限线取堰上液层高度=0.006m作为液相负荷下线条件，依的计算式计算出的下限值，依次作出液相下限线，该线为与气相流量无关的竖直直线取E=1，则有精馏段： 提馏段： 图3-2 精馏段塔板负荷性能图图3-3 提馏段塔板负荷性能图3.4 接管设计接管尺寸由管内蒸汽速度及体积、流量决定 塔顶蒸汽出口管径取u=15m/s查表选取管径规格为 回流管管径取u=0.4m/s,选取管径规格为 塔底进气管取u=15m/s，选取管径规格为 加料管管径取u=1.5m/s选取管径规格为 料液排出管管径取u=0.6m/s 选取管径规格为 其余仪表管径其余仪表管径选取管径为3.5 塔总高度计算 塔顶封头采用椭圆封头，公称直径800mm，总深度225mm，内表面积0.7566，直边段高度h为25mm封头高度 塔顶空间塔顶间距安装除沫器后选取塔顶空间1.1m 塔底空间釜液停留5min,塔底页面至下一层塔板间距为1m。 进料板处板间距进料板处安装防冲设施，取进料板处板间距 裙座考虑到再沸器，取裙座高度 人孔一般每隔68层塔板设一个人孔，取人孔直径450mm，本塔中共有16块塔板，需设立2个人孔，在设立人孔处的板间距设为 塔体总高度第4章 塔设备的强度校核4.1 按设计压力初步拟定塔体的厚度取它的设计压力为0.2MPa，设计温度小于100，圆筒内径，取圆筒材料为Q245，腐蚀余量取为2mm，焊接接头系数。设计温度下Q245的需用应力，同体积算厚度按下式计算 (4-1)则有加上厚度附加量并圆整，还应考虑多种载荷作用，以及制造运送，安装等等因素，取筒体，封头和裙座的名义厚度均为8mm，4.2 拟定危险截面位置塔的危险截面为，裙座基底0-0截面；裙座人孔处1-1截面；裙座与塔体焊缝处2-2截面4.3 塔的质量载荷计算 塔壳和裙座的质量 圆筒质量塔体圆筒总高度为： 封头质量查得DN800mm，壁厚8mm的椭圆形封头的质量为47.11kg，则 裙座质量选用的是圆筒形裙座，所以裙座质量 塔内构件质量查表得浮阀塔盘单位质量为 人孔、法兰、接管与附属物质量 保温材料质量 为封头保温层质量，取塔体保温层厚度为100mm 式中为封头保温层质量，为不加保温层的封头容积，查表得，为加保温层后的封头容积，查表得 平台、扶梯质量 式中，B为平台宽度，取B=0.9m，为平台单位质量为；为12.3m；为笼式扶梯单位质量，为，n为平台数量 操作室塔内物料质量 充水质量 全塔操作质量 全塔最小质量 全塔最大质量 4.4 塔的自振周期计算塔的基本自振周期由下式计算 (4-2)则有4.5 地震载荷计算 地震影响系数一阶振型地震影响系数：由表查得（设防烈度7度，设计基本地震加速度0.1g），由表查得，取一阶振型阻尼比，由式 (4-3)得由式 (4-4)得由式 (4-5)得 ，所以 地震弯矩等直径，等厚度塔式容器的任意截面1-1和底截面0-0的基本振型地震弯矩分别按式 (4-6)及 (4-7)则有4.6 风载荷计算将塔在高度方向上直接视为1段 风力计算 风振系数 由于塔高H20m，所以风振系数取 有效直径 设笼式扶梯与塔顶管线呈90，则取下式计算值中的较大者 (4-8) (4-9)取式中塔和管线的保温层厚度，塔顶管线外径，取，则有效直径取较大者，所以有效直径 水平风力由式 (4-10)计算塔的水平风力。式中体型系数，取，取为，为风压高度系数变化，查表得(10m，C类场地土），则 风弯矩计算0-0截面：1-1截面： 2-2截面：4.7 截面的最大弯矩组合 (4-11) 计算压力引起的轴向拉应力 重量载荷引起的轴向压应力0-0截面：1-1截面：开孔处截面积 (4-12) 所以 2-2截面： 各危险截面的计算如下：0-0截面： 1-1截面：式中 (4-13) 所以式中，为裙座人孔处截面的抗弯截面系数，2-2截面： 4.8 筒体和裙座危险截面的强度与稳定性校核 筒体的强度与稳定性校核 强度校核：筒体危险截面2-2处的最大组合轴向拉应力 轴向许用应力：由于，故满足强度条件 稳定性校核：筒体危险截面2-2处的最大组合轴向压应力许用轴向压应力：，取其中最小值按圆筒材料，查相应的外压应力系数曲线图得则，取 裙座的稳定性校核裙座危险截面0-0及1-1处的最大组合轴向压应力 按裙座材料，查相应的外压应力系数曲线图得则，取由于，故满足稳定性条件4.9 筒体和裙座水压实验应力校核 筒体水压实验应力校核 由实验压力引起的环向应力实验应力 (4-14)由于，故满足规定 由实验压力引起的轴向应力 水压实验时，重力引起的轴向应力 由弯矩引起的轴向应力 最大组合轴向拉应力校核 许用应力：由于，故满足规定 最大组合轴向压应力校核 轴向许用压应力，取其中最小值，取由于，故满足规定 裙座水压实验应力校核 水压实验时，重力引起的轴向应力 由弯矩引起的轴向应力 最大组合轴向压应力校核轴向许用压应力 ，取其中较小值，取由于，故满足规定4.10 基础环设计 基础环尺寸取 基础环的应力校核，取其中较大值 (4-15) 取，选用75号混凝土，其许用应力由于，故满足规定 基础环厚度按有筋板时计算基础环的厚度设地脚螺栓直径为M36，l=160mm，则，查表得矩形板计算力矩，按式，计算取，基础环材料的许用应力，基础环厚度由下式计算 (4-16) 取4.11 地脚螺栓计算 地脚螺栓承受的最大拉应力，取其中较大值 (4-17)取 地脚螺栓直径由于，故此塔设备必须安装地脚螺栓，取地脚螺栓个数n=20，地脚螺栓材料的许用应力，地脚螺栓的螺纹小径由下式计算 (4-18)查表得，取地脚螺栓为M36，故选用20个M36的地脚螺栓，满足规定以上各项计算均满足强度条件及稳定性条件。第5章 设计结果汇总全塔工艺设计结果详见表5-1，结构设计结果详见表5-2。表5-1 全塔工艺设计结果汇总设计内容符号及单位精馏段提馏段体积流量 0.000660.00169体积流量0.3350.32塔径0.80.8塔板间距0.40.4塔板型式F1型单溢流浮阀塔板实际所需塔板数97空塔气速0.80.8堰长0.560.56溢流堰高0.06240.0557降液管底隙高0.020.03板上液层高度0.070.07降液管型式弓型浮阀排列型式等边三角形叉排浮阀数5360浮阀孔径0.0390.039阀孔气速4.7024.49孔心距 0.0750.075开孔率 16.2517.01单板压降 790.79831.20负荷上限雾沫夹带控制雾沫夹带控制负荷下限液相负荷上限控制漏液线控制液相负荷上限0.003680.00368液相负荷下限0.180.153操作弹性3.083.64表5-2 全塔结构设计结果汇总设计内容符号及单位设计结果塔高12.3封头厚度 8筒体厚度8保温层厚度100基础环内径0.6基础环外径1基础环厚度20容器的操作质量6827.12容器的最大质量10582.21容器的最小质量4866.47塔的自振周期0.42裙座厚度8裙座高度2.0地脚螺栓个数20地脚螺栓规格进料管回流管塔底出料管塔顶蒸汽出料管塔底进气管参考文献1GB150-2023，压力容器 S .2JB 47122023,容器支座S .3 SH-T3098-2023,石油化工塔器设计规范S.4JBT 4710-2023，钢制塔式容器S.5郑津洋，董其伍，桑芝富. 过程设备设计M. 北京:化学工业出版社,2023.6王卫东. 化工原理课程设计M. 北京:化学工业出版社,2023.7陈长贵. 化工原理M. 天津:天津科学技术出版社,2023.8钟理. 化工原理M. 北京:化学工业出版社,2023.9张亚新. 过程装备实践教程M. 西安:西安交通大学出版社, 2023.10林玉娟. 石油石化典型设备设计指导M.大庆:东北石油大学,2023.东北石油大学石化装备设计综合实训成绩评价表课程名称石化装备设计综合实训题目名称二硫化碳-四氯化碳连续精馏塔设计学生姓名学号指导教师姓名林玉娟 丁宇奇职称专家讲师序号评价项目指 标满分评分1工作量、工作态度和出勤率按期圆满的完毕了规定的任务，难易限度和工作量符合教学规定，工作努力，遵守纪律，出勤率高，工作作风严谨，善于与别人合作。202课程设计质量课程设计选题合理，计算过程简练准确，分析问题思绪清楚，结构严谨，文理通顺，撰写规范，图表完备对的。453创新工作中有创新意识，对前人工作有一些改善或有一定应用价值。54答辩能对的回答指导教师所提出的问题。30总分评语：指导教师： 年 月 日