1、南华大学机械工程学院毕业设计i 2600 丙烯精馏塔设计摘要：本次设计的是丙烯精馏塔，设计内容包括：选定精馏方案；进行精馏塔的工艺计算、结构设计和附属设备的选型；将设计结果编写成设计说明书，并绘制设计图纸，翻译英文文献以及撰写摘要。本项设计内容的基本要求是：对任务书中已经规定的塔型、操作条件以及所采用的回流方式等须简要论证其依据，对流程安排中合理利用热能的可能性须作简单分析、并绘制简单的流程图。必须注意，设计开始通常只能对流程作初步安排，待整个计算完成后再作进一步的修正，并作较全面的论述，绘制带控制点的流程图。工艺计算的主要内容是：物料衡算确定产品的质量、收率、流量；确定操作条件塔主要部位的压
2、力和温度；精馏计算根据相平衡数据和分离要求确定回流比，计算板式精馏塔的实际板层数（或填料塔的填料高度） ，确定加料位置。关键词：丙烯；精馏；工艺设计；塔设备 南华大学机械工程学院毕业设计iiAbstract: What this design is the propylene rectifying tower, the design content includes: Designates the selective evaporation plan; Carries on the rectifying tower the process design, the structural desi
3、gn and appurtenances shaping; Will design the result to compile the design instruction booklet, and draws up the design paper, the translation English literature as well as the composition abstract. This design contents essential requirements are: The tower which already stipulated to the project de
4、scription, the operating condition as well as select the backflow method and so on to prove its basis briefly, must make the simple analysis reasonably to the flow arrangement in using the heat energy possibility, and draws up the simple flow chart. Must pay attention, the design starts usually only
5、 to be able to make the preliminary arrangement to the flow, after treating the entire computation completes, makes the further revision again, and makes the comprehensive elaboration, draws up the belt control point the flow chart. The process designs primary coverage is:Material balance - - determ
6、ination product quality, receiving rate, current capacity; Determination operating condition - - tower main spot pressure and temperature; Selective evaporation computation - - basis phase equilibrium data and separation request determination reflux ratio, computation beat rectifying tower actual pl
7、ate layer (or absorption chamber padding highly), determination feeding position. key words: Propylene；selective evaporation；technological design；tower equipment 南华大学机械工程学院毕业设计iii目 录引言 .11 塔盘设计 .21.1 塔型选用 .21.2 板间距 HT .31.3 塔径计算 .41.3.1 精馏段塔径 D1 .41.3.2 提馏段塔径 D2 .61.3.3 总体塔径 D .91.4 塔盘结构设计 .91.4.1 类
8、型选用 .91.4.2 降液装置设计 .101.4.3 标准塔盘选用及浮阀数排列 .132 总体设计 .142.1 主要尺寸、参数 .142.1.1 人孔 .142.1.2 加料板空间高度 Hf .152.1.3 塔顶部空间高度 Ha .152.1.4 塔底部空间高度 Hb .152.1.5 支座高度 Hs .152.1.6 封头 .15南华大学机械工程学院毕业设计iv2.1.7 总高 .152.2 接管设计 .152.2.1 主管径计算、选取 .152.2.2 仪表、控制、报警等公用系统接管选用 .192.2.3 接管结构设计 .192.3 裙座结构设计 .222.3.1 类型选用 .222
9、.3.2 材料 .222.3.3 与封头连接处的焊接结构 .222.3.4 裙座上人孔、排气孔、釜液出口接管及再沸器入口接管引出管通道 .222.3.5 螺栓、环板、盖板、筋板设置 .222.3.6 裙座内的梯子设计 .232.3.7 保温层、防火层 .232.4 塔体内部构件设计 .232.4.1 塔釜结构 .232.4.2 塔盘及支撑、连接结构 .232.4.3 出口堰，受液盘，槽，液封，降液装置 .242.4.4 梯子 .242.5 塔体外部结构设计 .242.5.1 吊柱 .242.5.2 吊耳 .252.5.3 操作平台 .252.5.4 塔体外部扶梯设置 .262.5.5 人孔、接
10、管 .272.6 保温层，防火层 .272.6.1 材料 .272.6.2 防火层设计 .272.6.3 保温层设计 .282.7 主要焊缝坡口设计 .29南华大学机械工程学院毕业设计v2.7.1 筒体环、纵焊缝 .292.7.2 封头、圆筒对接焊接 （A 类） .292.7.3 接管与筒体、封头焊接坡口 .292.7.4 裙座与封头对接焊坡口 .302.7.5 冷凝器和再沸器的设计 .303 强度设计 .313.1 厚度计算 .313.1.1 筒体 .313.1.2 椭圆封头 .323.2 塔体强度和稳定性校核 .333.2.1 塔体自重 .333.2.2 自振周期计算及共振可能性判断 .3
11、63.2.3 风载荷 .373.2.4 地震载荷 .383.2.5 组合弯矩 .403.2.6 偏心载荷 .423.3 裙座和塔壳体连接焊缝的强度校核 .433.4 裙座强度和稳定性校核 .443.4.1 正常操作状态 .443.4.2 水压试验状态 .453.5 地脚螺栓设计计算 .463.5.1 基础环接触应力 .463.5.2 地脚螺栓设计计算 .473.5.3 地脚螺栓座及基础环 .473.6 开孔补强计算 .493.7 人孔法兰校核 .50参考文献 .54谢 辞 .55文献翻译 .56南华大学机械工程学院毕业设计vi南华大学机械工程学院毕业设计第 1 页 共 66 页 引言石油是发展
12、国民经济和建设的主要物质，产品种类繁多，用途极广。精细化工的产生和发展与人们的生活和生产活动紧密相关。我国的有机化工原料工业起步较晚，随着新油田的相继开发和新炼油厂的陆续建设，与此同时，对天然气资源的利用，也取得了长足进展。丙烯是重要的化工原料，美国将生产量的二分之一用于制造化工产品，余下的大部分则与异丁烷反应制造汽油中所需要的烷化物。由丙烯可以得到大量的化工产品，如聚丙烯、丙烯酸、丙烯腈、环氧丙烷、丙酮等。近年来，由于丙烯下游产品的快速发展，极大的促进了中国丙烯需求量的快速增长。到 2010 年，中国将不断新增大型乙烯生产装置，同时炼厂生产能力还将继续扩大，这将增加丙烯的产出。当前各炼厂的气
13、体分离装置大部分仍然采用精馏分离。蒸馏是分离液体混合物的典型单元操作，其基本原理是利用被分离的各组分的挥发度不同，即各组分在同一压力下具有不同的沸点将其分离的。塔设备是能够实现蒸馏的气液传质设备，广泛应用于化工、石油化工、石油等工业中，其结构形式基本上可以分为板式塔和填料塔两大类。板式塔用途较广，它是逐级接触式的气液传质设备。浮阀塔的优点是：生产能力大、操作弹性大、塔板效率高、气体压强降及液面落差较小、塔的造价低。浮阀塔已成为国内应用最广泛的塔型。南华大学机械工程学院毕业设计第 2 页 共 66 页 1 塔盘设计1.1 塔型选用板式塔种类多，根据塔板上气液接触元件的不同，可分为筛板塔、舌形塔、
14、穿流多孔塔板、浮动喷射塔等多种。随着石油、化学工业的迅速发展，又开发使用了一些新型塔板，如斜孔塔板、S 型板、导向筛板、网孔筛板、大孔筛板、浮阀-筛板复合塔板、旋流塔板、旋叶塔板、角钢塔板等。目前精馏过程常用的板式塔为浮阀塔、筛板塔和泡罩塔，前两者使用尤为广泛。由于浮阀塔具有下述特点，从而得以广泛应用：1.处理能力大，生产能力比圆形泡罩塔提高 2040%，接近于筛板塔。2.操作弹性大，因为浮阀开度可自由变化，气缝速度几乎不变，在较宽的流量范围内包成较高的效率，其操作弹性可达到 59,比筛板、泡罩和舌型塔盘大许多。3.板效率高，由于气液接触良好，蒸汽以水平方向吹入液层，气液充分接触，雾沫夹带少，
15、板效率可以比泡罩塔高 15%。4.塔板压降小，气流通过浮阀时，只有一次收缩、扩大及转弯，故塔板压力降比泡罩塔低。在常压塔中每层塔板的压力降一般为 400666.6 Pa，由于压力降小，降液管中积液高度较小，加上雾沫夹带也较少，故塔板间距可以缩小。5.液面落差较小，浮阀形状简单，可降低液面落差，因而蒸汽分布较均匀。6.操作周期较长，由于阀盘大多用不锈钢制造，加之阀片不停的浮动所以不易积垢堵塞，故操作周期较泡罩塔长，清理液省工时。7.结构较简单，与泡罩相比，浮阀阀片的制造安装容易，且省料，故制造费用仅为泡罩塔盘的 60%80%。根据浮阀塔的上述特点，以及文献【6】关于各种塔盘在相对塔板效率、塔板压
16、降、生产能力、操作弹性方面的比较，可选用浮阀塔。具体流程图如下：南华大学机械工程学院毕业设计第 3 页 共 66 页 图 1.1 精馏塔的工艺流程简图工艺流程：原料液由高位槽经过预热器预热后进入精馏塔内。操作时连续的从再沸器中取出部分液体作为塔底产品(釜残液)再沸器中原料液部分汽化,产生上升蒸汽,依次通过各层塔板。塔顶蒸汽进入冷凝器中全部冷凝或部分冷凝,然后进入贮槽再经过冷却器冷却。并将冷凝液借助重力作用送回塔顶作为回流液体,其余部分经过冷凝器后被送出作为塔顶产品。为了使精馏塔连续的稳定的进行,流程中还要考虑设置原料槽。产品槽和相应的泵,有时还要设置高位槽。为了便于了解操作中的情况及时发现问题
17、和采取相应的措施,常在流程中的适当位置设置必要的仪表。比如流量计,温度计和压力表等,以测量物流的各项参数。1.2 板间距 HT气液负荷和塔径一定，增加板间距可减少雾沫夹带并提高操作弹性，但塔高的增加，会增加金属消耗量，增加塔基、支座等的负荷，从而增加全塔的造价。板间距与塔径之间的关系，应通过流体力学验算，权衡经济效益，反复调整，作出最佳选择。选用H T时应考虑到如下几点：a.HT 直接影响塔盘、塔径。一定生产任务下采用较大板间距能允许较高的空塔气速，故塔径可减少，但塔高要增加，如果采用较小板间距只能允许较低空塔气速，塔径需增大，但同时又可降低塔高，板数较多时，往往采用较小板南华大学机械工程学院
18、毕业设计第 4 页 共 66 页 间距，适当加大塔径以降低塔高，因而实际选用时常需做经济权衡。b.HT 对板效率也有影响，在一定的气液负荷和塔径的条件下，增加板间距可使雾沫夹带降低，对易起泡物系 HT 应取大，以保证分离效果。c.对操作弹性也有影响，如果生产负荷过大时，应取较大 HT 以提高操作弹性。d.考虑安装、检修的需要，如在塔体人孔处应有足够工作空间，该处HT 不小于 600 mm。综合上述特点，考虑本塔操作物料的气泡特点，生产负荷等，非塔体人孔处板间距 HT=600 mm,有人孔处 HT=800 mm。1.3 塔径计算塔径的计算方法有两类：一类是根据适宜的空塔气速，求出塔径；另一类是先
19、确定适宜的孔数，定出每块塔板上所需孔数，进行孔的排列后得到塔径。1.3.1 精馏段塔径 D11.3.1.1 精馏段上升蒸汽体积流量 VS:因为塔顶与进料口温度相差大，且分子量很相近，可用塔顶作为设计基准。各组分临界性质见下表【1.1】 。另外，因为该混合气中 0.5 2，混合规则采用 kay 法则【5】以求jciT,解混合气体虚拟临界参数 Tcm,Pcm表 1.1 各组分临界性质组分 摩尔分率Xi%沸点Tbi,KTbiXi 临界温度 TciKTciXi 临界压力Pci(atm)PciXiCH4 0.0297 111.51 0.0331 190.4 0.0565 45.44 0.01350C2H6 0.0102 184.37 0.0188 305.28 0.03114 48.16 0.00491C3H6 95.5 225.3 215.1615 364.6 348.193 45.50 43.4525C3H8 4.4601 231.0 10.3028 369.67 16.4877 41.94 1.87057Tbm=TbiXi=225.5162 KTcm=TciXi=364.768 KPcm=PciXi=45.3415 atm
