20万吨直馏柴油年氨精制装置设计工艺计算

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1、参赛队伍：环卫工团队参赛题目：20万吨直馏柴油/年氨精制装置设计所属院校：广东石油化工学院参赛学生：林宝杰，张锦恒，李德伟，吴伟荣康佳良，陈清木，陈柱辉，杨春辉指导老师：陈兴来，李宗宝26目录第1章 静态混合器选型11.1 选类型11.2 流速11.3 具体型号11.4 反应时间11.5 压力降计算2第2章 氨分离器52.1 各股物料进料情况52.2 分离器型号52.3 减压阀选型计算72.4 丝网除沫器8第3章 重力沉降塔103.1 重力沉降塔103.1.1 重力沉降塔容积103.1.2 确定塔径103.1.3 计算筒体高度H113.1.4 计算筒体厚度113.1.5封头厚度计算113.1.

2、6水压试验强度校核113.2 重力沉降塔123.2.1 确定塔径123.2.2 计算筒体高度H123.2.3 计算筒体厚度123.2.4 封头厚度计算133.2.5 水压试验强度校核13第4章 乙二醇溶剂汽提塔设计154.1 原始材料154.1.1 汽提塔进出物料情况154.1.2 汽提塔热负荷154.1.3 操作压力154.2 汽提塔设计计算154.2.1 试选传热系数初始值154.2.2 汽提塔尺寸的确定154.3 传质过程计算174.3.1 列管内气速174.3.2 流体周边流量174.3.3 液膜厚度184.3.4 液泛速度计算194.3.5 液体最小润湿率计算204.3.6 液膜停留

3、时间和液膜平均速度204.4 复核传热系数214.5 精度计算234.6 塔体及裙座设计计算234.6.1 塔壁厚的确定234.6.2 封头的选择234.6.3 塔高的计算234.6.4 塔设备的稳定计算244.7 裙座设计25第1章 静态混合器选型1.1 选类型选型依据：HG/T 20570.20-95 静态混合器设计已知：在工作温度为35，系统压力为1.8MPa下，静态混合器各股物流的物性下表所示：物料质量流率kg/h密度kg/m体积流率m/h粘度mPas直馏柴油27777.8810.434.282.03液氨116.0587.40.2010.5乙二醇3472.21102.03.150.01

4、3631366.037.63根据表1.1，三股物料粘度均小于100mPs，选择SV型静态混合器较合适。1.2 流速总体积流量： 根据表1.2，选择静态混合器管径为：流体流速： 对于低、中粘度流体的混合、萃取、中和、传热、中速反应，适宜于过渡流或湍流条件下工作，流体流速控制在，符合情况。1.3 具体型号选长径比为，则 ，且设计压力为P=2.0MPa，查表1.2，水力直径取6mm，所以该静态混合器型号规格为：SV-6/150-4.0-1500。1.4 反应时间由于环烷酸与液氨的反应为1.5级反应，所以： 积分得：式中：为反应速率常数， ；环烷酸转化率，由设计要求可得；环烷酸浓度。所以： 单个静态混

5、合器的反应体积：则空时：选用两个静态混合器串联，则空时：=22.53=5.06s由于是该反应是在液相中进行，可视为等容均相反应过程，故反应物料在静态混合器中的平均停留时间T=5.06s由此可见，选择两个SV-6/150-4.0-1500静态混合器串联即可满足工艺要求。1.5 压力降计算查表1.2，空隙率，则：查表1.3，当时，摩擦系数：静态混合器压力降：。表 1.1表 1.2表 1.3第2章 氨分离器2.1 各股物料进料情况静态混合器出口物流经节流阀减压至1.2MPa进入气液分离器，由化工工艺设计手册查得，35时液氨的饱和蒸汽压MPa查计算图表图4-3-47氨的压焓图，得35、1.2MPa ，

6、NH3的比容，氨气的质量流量为=56.41kg/h ,则释放出来的氨气的体积流量：各股物料进料情况如下：物料质量流量mkg/h密度kg/m体积流量Vm/h氨气56.419.8725.714中性油810.434.13乙二醇3.59411033.2566.4237.39 (液)估算混合液体密度：2.2 分离器型号要求液体在分离器中的停留时间T=1h 。（1）试算分离器直径 液体体积流率VL=34.13+3.256=37.39m ， ，假设气体空间面积Aa为14%，可变液面面积A=80%，最小液体面积Ab为6%，则试算直径：由DT和Aa查图2.5.1-4，得气体空间高度a=0.65m，大于最小气体空

7、间高度300mm，符合要求。（2）接管距离 液滴直径按最小分离直径d=200m进行计算，时间比值（即液滴通过气体空间高度所需的沉降时间与气体停留时间的比）停留时间R=0.127，则进口出口接管之间的距离：根据以上分离器直径和接管距离要求，可选用以下规格卧式容器：（JB4710-2000）：公称直径DN=3600mm ,筒体s长度L=10800mm。注：以上计算过程依据HG/T20570-95进行设计计算。2.3 减压阀选型计算在分离器气体溢流口处设置一减压阀，阀前压力P1=1.2MPa ，阀后压力P2=1.0MPa ，则减压阀压降P=0.2MPa。压缩氨气的绝热系数k=1.877，压缩氨气的临

8、界压力比：（1）求减压阀的理论流量G因 ，故减压阀的理论流量：（2）求减压阀的实际流量q ,取系数，则实际流量：（3）求减压阀所需的阀孔面积： 根据以上阀孔面积，查化工工艺设计手册可选用活塞式减压阀（Y43H-16）公称直径DN(mm)L(mm)H(mm)H1(mm)阀孔面积（）配法兰型号40220652907GB1060-70-162.4 丝网除沫器另外，需在分离器氨气出口处设置丝网除沫器将氨气中携带的直径在10m100m液滴进行分离，在液体出口处设置一聚结材料，有利于液滴聚结长大。根据HGT 21618-1998选用以下规格丝网除沫器：公称直径DN(mm)主要外形尺寸H(mm)H1(mm)

9、D(mm)300150260300第3章 重力沉降塔3.1 重力沉降塔3.1.1 重力沉降塔容积已知在33.0时，两股物料物性如下：物料密度kg/m质量流率mkg/h体积流率Vm/h溶剂相1104.73.5941033.253中性油812.627.6610334.03931.25410337.292溶剂体积流率：油相体积流率：已知达到分离要求所需的沉降实际时间T=55min ，即液体在分离器中的停留时间为106min，则沉降塔所需最小容积：考虑20%的富裕量，则沉降塔实际容积：3.1.2 确定塔径取沉降塔的容积为V=40m，考虑液体静柱压力，取设计压力P=1.25MPa，设计温度为35，因为原

10、料油经脱酸反应后，含酸量大幅下降，对钢材只有轻微腐蚀，故选用16MnR钢材，腐蚀余量C2=1.0mm, 16MnR钢材在35时的许用应力t=170MPa 焊接接头为V形坡口双面焊接，采用局部无损检测，其焊缝系数=0.85。系数查常用压力容器手册图2-2-1得塔内径：查JB/T4746-2002封头标准系列得EHA椭圆形封头的容积：3.1.3 计算筒体高度H3.1.4 计算筒体厚度筒体计算厚度：则设计厚度：取钢板负偏差C1=0.8mm，故：名义厚度=+ C1=8.82+0.8=9.62mm圆整后厚度=10mm，圆整值。3.1.5封头厚度计算封头设计厚度：钢板负偏差C1=0.8mm ，封头名义厚度

11、：圆整后厚度=10mm，圆整值3.1.6水压试验强度校核钢板有效厚度：规定的试验压力取PT=1.56Mpa 水压试验时的应力：16MnR钢制容器在常温水压试验时的许可应力：因为，故筒体厚度满足水压试验时强度要求。3.2 重力沉降塔入口物料组成环烷酸残油乙二醇质量流量kg/h117.2727.663469.053613.98密度kg/m860.2798.51085.0体积流率m/h0.140.043.203.38已知达到分离要求所需的沉降实际时间T=78min ,即物料在分离器中的停留时间为78min,则沉降塔所需的最小容积：考虑20%的富裕量，则沉降塔的实际容积：3.2.1 确定塔径取沉降塔的

12、容积为V=6.0m，不考虑液体静柱压力，取设计压力P=0.1Mpa，设计温度为60，因为物料为含有机酸乙二醇，对钢材只有明显的腐蚀，故选用0Cr18Ni10Ti合金钢，腐蚀余量C2=2.0mm, 0Cr18Ni10Ti合金钢在60时的许用应力t=137Mpa 焊接接头为V形坡口双面焊接，采用局部无损检测，其焊缝系数=0.85系数查常用压力容器手册图2-2-1得塔内径查JB/T4746-2002封头标准系列得EHA椭圆形封头的容积3.2.2 计算筒体高度H3.2.3 计算筒体厚度计算厚度则设计厚度，取钢板负偏差C1=0.22mm故名义厚度：圆整后厚度=4mm，圆整值3.2.4 封头厚度计算封头设

13、计厚度：钢板负偏差C1=0.22mm ，封头名义厚度：圆整后厚度=4mm，圆整值3.2.5 水压试验强度校核钢板有效厚度规定的试验压力取PT=0.2MPa水压试验时的应力：10Cr18Ni10Ti合金钢容器在常温水压试验时的许可应力： 因为，故筒体厚度满足水压试验时强度要求。图2-2-1 确定容器优选尺寸图容器直径 Di (m)第4章 乙二醇溶剂汽提塔设计4.1 原始材料4.1.1 汽提塔进出物料情况表4.1 汽提塔进出物料表序号进料 (kg/h)出料 (kg/h)1混合溶剂 （131） 3604.28混合溶剂 （140） 3591.542其中：R-COONH4 124.42 其中：R-COO

14、H 116.78 NH3 5.1 NH3 0乙二醇 3472乙二醇 3472柴油 2.76柴油 2.763变换气 （100） 20变换气 （130） 32.74N2 20N2 20NH3 12.74合计 3624.283624.284.1.2 汽提塔热负荷 4.1.3 操作压力P=0.15Mpa(表压)4.2 汽提塔设计计算4.2.1 试选传热系数初始值针对本设计中汽提塔的进出物料情况和温度、压力等参数，根据经验确定汽提塔传热系数的初始值。4.2.2 汽提塔尺寸的确定管外以0.9MPa (表)饱和蒸汽加热，蒸汽温度为180。蒸汽和混合溶剂的平均温差t1为：蒸汽：180180溶剂：131140蒸

15、汽和管内汽提温差为：蒸汽：180180气体：130100总的平均温差tm应以蒸汽和混合溶剂的平均温差为主，也要考虑蒸汽和管内气体间的平均温差，由下式计算：再估算传热面积：传热面积估算后，进而对汽提塔降膜换热管尺寸的计算。降膜换热管管径不宜太小，以免管数太多，导致布膜复杂且不匀，根据生产能力，选用材质为的192。由于液膜的传热阻力集中在靠近管壁边界层中形成这种边界层“成膜”需要一段膜的流过长度，称为热力人口端长度。在热力入口端长度内(一般为0.40.8米)，膜较厚，流速低，给热系数小，因此，管长以3米以上为宜。只要液膜分布器结构能确保布膜均匀，降膜管的长径比H/d可达200，故选管长H为3米的一

16、段结构，保证传质传热在良好情况下进行，并尽量减少混合溶剂在塔内的停留时间。理论管数选用正三角形排列，管心距为，查得管层数为7，总管数为37，去拉杆、排污管7根，实有管数30根。塔径D的计算:降膜管的管径、管长及管数估算后，即可得到塔径。管子采用焊接，取。其中b为中心管数。圆整得塔径为，取管板径为。4.3 传质过程计算主要计算列管内气速是否达到液泛速度，液体润湿率是否低于最小润湿率。4.3.1 列管内气速在气体流人点：气体流量为，温度为100，操作压力1.5atm（表）在气体流出点：气体流量为，温度为130，操作压力1.5atm（表）平均值：4.3.2 流体周边流量 液体物性参数采用在液膜温度下

17、之值在液体流入点：混合溶剂的粘度取乙二醇之值在液体流出点：平均值4.3.3 液膜厚度在液体流入点，采用下式计算液体物性参数采用液体流人点液膜温度下之值，(前面已出现过的，不再列出下同)。在有气体逆流扫过时，液膜厚度增大，取。液体平均膜厚，由于，采用下式计算：液体物性参数采用液体流入点和流出点物性参数之算术平均值。同样，在有气体逆流扫过时，取4.3.4 液泛速度计算由于气体流出点，即液体流人点的气速为最大值，液泛速度计算应以此点为依据。液体开始溢出时的关联式为：液体各特性参数采用流人点液膜温度下之数值，气体各物性参数采用流出点之值。混合溶剂的表面张力，取乙二醇液之值。气体粘度用平方根规律求得代入

18、上式，得：因液体流人管子处的热力人口端长度内膜较厚，计算液体重量流速时的膜厚采用正常成膜厚度的两倍。，管内气速在允许范围之内。4.3.5 液体最小润湿率计算由于液体流出点，即气体流人点的液体润湿率为最小植，核算液体润湿率应以此点为依据，最小润湿率由下式求得：各物性参数采用液体流出点之值：液体在流出点的实际润湿率为：，液体润湿率在正常范围之内。4.3.6 液膜停留时间和液膜平均速度在液体周边流量变化时，液膜在管内停留时间为：、采用液体流人点和流出点的算术平均值，周边流量、分别采用液体流入点和流出点之值。液膜平均速度：4.4 复核传热系数管外为0.9MPa（表）之饱和燕汽，蒸汽冷凝用量：查得水蒸汽

19、焓变：，所以物性参数在液膜温度下求取，管外蒸汽冷凝时的给热系数：由于，采用下式计算同样，物性参数在液膜温度下求取。管内液体沿垂直壁面成膜下流时的给热系数：，给热系数关联式如下：液体各物性参数采用流人点和流出点液膜物性参数之算术平均值。管外蒸汽热阻，取液膜产生的气泡热阻，取不锈钢的导热系数，取总传热系数：前面计算过增加10%的设计裕量后为实际传热面积复核：30根不锈钢管长3米。由于，传热面积以内壁计。4.5 精度计算由精度计算结果可知，满足了设计要求，故汽提塔塔径为。4.6 塔体及裙座设计计算4.6.1 塔壁厚的确定根据选材分析，本汽提塔选用Q235-A钢材来制作塔体和封头。壁厚根据下式计算：式

20、中：汽提塔的内径，为；焊缝系数（双面对接焊，100%无损探伤），取；钢板负偏差，取；腐蚀裕量，取；许用应力，取。于是：4.6.2 封头的选择由于，选择椭圆型封头,封头高度为直边高度，取壁厚4.6.3 塔高的计算塔的底部空间高度是指塔底封头直边到下塔盘的高度为H2，因为塔底空间具有中间储槽作用，由于具有酸性易腐蚀设备，停留时间不宜过长，故这里取1.5分钟，所以：塔的顶部空间高度是指上塔盘到塔顶封头直边的高度为H2，为了减少塔顶出口气体中夹带的液体量，顶部空间一般去，故这里取塔顶高度H3=1.5m，裙座高度H1=2.5m。 总塔高为：4.6.4 塔设备的稳定计算（1）风载荷风载荷是安装在室外的塔设

21、备的基本载荷之一，塔除了使塔体产生应力而外，还会使塔体产生方向与风向相同的顺风向振动和垂直于风向的横风向振动，振动的结果使塔设备产生挠度，过大的应力会造成塔体的强度和稳定失效，过大的挠度不仅会使塔的分离效果降低，也会使塔的偏心矩增加。若产生共振，还可能导致塔体的破坏。因此，不可忽视风载荷的作用。由当地最大风力12级，查得风速，风压Pa，塔高为。风载荷式中：体型系数，表示稳定风压在设备上的分布情况，它与设备的形状有关。在塔设备计算中，通常取0.7。塔器各计算段的风振系数，与风压脉动和塔体特征有关，通常当塔高时，取 。风压高度变化系数，这里取所以塔底部截面的最大弯矩： 风弯矩： 偏心弯矩：塔设备在

22、使用中，有时要承受偏心载荷，故应考虑偏心载荷在塔设备上引起的偏心弯矩。 在本设计中认为偏心弯矩很小，所以忽略不计，取其中较大值，所以4.7 裙座设计1、裙座高度：，厚度，直径：。2、裙座手孔：DN=2003、基础环：基础环压在混凝土基础之上，其结构尺寸的确定应考虑到地脚螺栓的位置及基础混凝土的抗压强度。混凝土基础上的最大压应力考虑正常操作与水压试验两种状态，取其较大者。基础环的内、外径使用下列公式选取：故这里选取所以基础环的实际受力面积为： 基础环的厚度计算：本基础环采用有筋板设计，故：其中： 基础环材料的许用应力，对于Q235-A钢材。圆整得4、地脚螺栓的确定塔设备必须用地脚螺栓牢牢地固定在基础上，以防在风、地震等载荷的作用下使其翻到。塔设备的基础环在轴向载荷和组合弯矩的作用下，在迎风侧的地脚螺栓中可能出现拉应力，背风出现压应力，拉应力通过地脚螺栓传递给基础。因此，地脚螺栓必须有足够的强度。基础环截面系数：地脚落地受的最大拉应力：当时，塔设备必须设置地脚螺栓。地脚螺栓的螺纹小径可按下式计算：式中：di地脚螺栓螺纹小径，mm；C2地脚螺栓腐蚀裕量，取C2=3mm；地脚螺栓个数，对小直径塔器可取；地脚螺栓材料的许用应力MPa。圆整后地脚螺栓的公称直径不得小于M24。地脚螺栓材料选用Q235-A。圆整后地脚螺栓的公称直径为M27。