甲醇回收塔结构设计说明

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1、甲醇回收塔结构设计第一章 概述1.1前言在化工、炼油、医药、食品及环境保护等工业部门,塔设备是一种重要的单元操作设备。它的应用面广、量大。塔设备广泛用于蒸馏、吸收气提、萃取、气体的洗涤、增湿及冷却等单元操作中,它的操作性能好坏,对整个装置生产,产品产量、质量、成本以及环境保护、三废处理等都有较大的影响。因此对塔设备的研究一直是工程界所关注的热点。塔器按其结构可分为两大类：板式塔和填料塔。板式塔的研究起步较早,其流体力学和传质模型比较成熟,数据可靠,因而70年代以前的很长一段时间里,板式塔的研究处于领先地位。70年代,由于性能优良的新型填料相继问世,特别是规整填料及新型塔内件的不断开发应用和基础

2、理论研究的不断深入,使填料塔的放大技术有了新的突破,改变了以板式塔为主的局面,填料塔也进入了一个崭新的时期。本次设计任务是分离甲醇水的混合液,以回收甲醇,塔径DN400已定,且处理量不算很大,故采用填料塔。1.2甲醇回收塔的设计背景本次任务设计的甲醇回收塔是针对工厂废液等的进行甲醇提纯回收,不仅能有效的保护环境,还能回收有用产品,节约能源,是一件大有裨益的事。二十多年来,填料塔以其优良的综合性能不断推广应用于工业生产中,改变了板式塔长期占据统治地位的局面。与板式塔相比,新型的填料塔性能具有如下特点：（1） 生产能力大板式塔与填料塔的流体流动和传质机理不同。板式塔的传质通过上升的蒸汽穿过板上的液

3、池来实现。塔板的开孔率一般占塔板截面积的815%,其优化设计要考虑塔板面积与降液管面积的平衡,否则即使开孔率大也不会使生产能力提高。填料塔的传质是通过上升蒸汽的与靠重力沿填料表面下降的液体逆流接触实现。填料塔的开孔率通常在50%以上,其空隙率则超过90%,一般液泛点都较高,其优化设计主要考虑与塔内件的匹配,若塔设计合理,填料塔的生产能力一般均高于板式塔。2分离效率高塔的分离效率决定于分离物系的性质、操作状态压力、温度、流量等以及塔的类型及性能。一般情况下下,填料塔具有较高的分离效率,但其效率会随着操作状态的变化而变化。3压力降小填料塔由于空隙率较高,故其压降远远小于板式塔。一般情况下,塔的每个

4、理论级的压降,板式塔为0.41.1kPa；散装填料为0.0130.27kPa；规整填料为0.011.07kPa。压降低,对于新塔可以大幅度降低塔高,减小塔径；对于老他可以减小回流比以求节能或提高产量与产品质量。4操作弹性大操作弹性是指塔对符合的适应性。塔正常操作负荷的变动范围越宽,则操作弹性越大。由于填料本身对负荷变化的适应性很大,故填料塔的操作弹性决定于塔内件的设计,特别是液体分布器的设计,因而可以根据实际需要确定填料塔的操作弹性。而板式塔的操作弹性则受到塔板液泛、雾沫夹带及降液管能力的限制,一般操作弹性较小。5持液量小持液量是指塔在正常操作时填料表面、内件或塔板上所持有的液量,它随操作负荷

5、的变化而有增减。对于填料塔,持液量一般小于6%,而板式塔则高达8%12%。持液量大,会加长开工时间。填料塔较板式塔优点很多,但造价通常高于板式塔。1.3回收塔主要工艺流程 1进料状况 进料状况一般有泡点进料、露点进料、气-液混合物进料、过冷液体进料、过热蒸汽进料。此次设计采用泡点进料。采用泡点进料,不仅对稳定塔操作较为方便,且不受季节气候温度影响。泡点进料时基于恒摩尔流假定精馏段和提馏段塔径基本相等,制造上较为方便。2塔顶冷凝方式 塔顶冷凝采用全凝器,用水冷凝,甲醇和水不反应,且容易冷凝,故采用全凝器。塔顶出来的气体温度不高,冷凝后回流液和产品温度不高无需进一步冷却。此次分离是要得到液体甲醇,

6、故选用全凝器符合要求。 3回流方式回流方式可分为重力回流和强制回流。对于小型塔,回流冷凝器一般安装在塔顶。其优点是回流冷凝器无需支撑结构,缺点是回流冷凝器回流控制较难。本次任务是针对小型塔,采用重力回流。4加热方式加热方式可分为直接蒸汽和间接蒸汽加热。直接蒸汽加热是用蒸汽直接由塔底进入塔内。由于重组分是水,故省略加热装置。间接蒸汽加热是通过加热器使釜液部分汽化,上升蒸汽与回流下来的冷液进行传质。本次任务用间接蒸汽加热,由于塔径较小,采用内置盘管再沸器,用水蒸气作加热介质。1.4基础数据及设计内容1基础数据：进料流量 2500kg/h； 料液组成含甲醇50%,塔顶组成含甲醇99.5%,残液含甲醇

7、2%；精馏塔直径,设计压力0.65MPa,设计温度105；再沸器直径,管内压力0.6MPa,设计温度158。 2设计方案根据设计要求,对精馏装置的流程、操作条件、主要设备及其材料的选取等进行叙述。3精馏塔工艺计算。物料衡算,能量衡算,理论塔板数的计算,工艺条件和相关物性数据的查阅及计算4塔体的主要工艺尺寸的设计计算。塔径的计算,填料层高度的计算,填料层压降的计算以及塔内件的设计计算,塔的附属设备的计算。5精馏塔设备设计及选型塔体材料材料选取,壁厚计算,封头的选型,精馏塔各部分高度、质量的计算及塔体的连接形式,地震载荷、风载荷的计算校核及应力校核,手孔、接管及开孔补强的计算,裙座和基础环的设计。

8、第二章 精馏塔工艺计算2.1精馏塔的物料衡算1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率 甲醇的摩尔质量 水的摩尔质量 进料含甲醇 50%w 塔顶含甲醇 99.5%w 塔底含甲醇 2%w 摩尔分数：2原料液及塔顶、塔底的平均摩尔质量3物料衡算已知进料流量为,换算成摩尔处理量 全塔物料衡算：,2.2理论塔板数2.2.1相对挥发度由,再根据表1数据可得到不同温度下的挥发度,见表2表2.1 水甲醇体系的平衡数据t/xyt/xyt/xy100.0 0.0000.00084.4 0.1500.51769.3 0.7000.87096.4 0.0200.13481.7 0.2000.57967.5 0.8000.9

9、1593.5 0.0400.23078.0 0.3000.66566.0 0.9000.95891.2 0.0600.30475.3 0.4000.72965.0 0.9500.97989.3 0.0800.36573.1 0.5000.77964.5 1.0001.00087.7 0.1000.41871.2 0.6000.825表2.2温度/挥发度温度/挥发度96.47.58278.04.63293.57.33275.34.03591.26.84373.13.52589.36.61071.23.14387.86.46469.32.86884.46.06667.52.69181.75.501

10、66.02.534所以2.2.2最小回流比及操作回流比泡点进料：故最小回流比为取操作回流比为2.2.3精馏塔的气、液相负荷精馏段：提馏段：2.2.4操作线方程精馏段操作线方程：提馏段操作线方程：2.2.5逐板法求理论塔板数由,得将代入得相平衡方程：联立a、b、c三式,可至上而下逐板计算所需理论板数。因为塔顶为全凝,则由c式求的第一块板下降液体组成同理得 表2.3板号12345678910y0.9910.9730.9290.8390.7070.5840.4030.2180.0940.032X0.9630.8960.7570.5540.3650.2510.1380.0620.0240.008精馏塔

11、理论塔板数： 包括再沸器进料板位置： 2.3实际塔板数2.3.1 液相平均粘度进料粘度：根据表1,用内插法求得 查手册得 塔顶物料粘度：根据表1,用内插法求得 查手册得 塔釜物料粘度：根据表1,用内插法求得 查手册得 精馏段液相平均粘度：提馏段液相平均粘度：2.3.2 精馏段和提馏段的相对挥发度查表2得：,精馏段的平均挥发度：精馏段的平均挥发度：2.3.3 全塔效率和实际塔板数全塔效率可用奥尔康公式：精馏段：提馏段：精馏段实际板层数：精馏段实际板层数：2.4精馏塔的工艺条件及物性数据2.4.1 工艺条件塔顶压力：操作温度：塔顶 塔釜 进料 精馏段平均温度：提馏段平均温度：2.4.2 平均摩尔质

12、量塔顶平均摩尔质量,进料板层平均摩尔质量,塔底层平均摩尔质量,精馏段平均摩尔质量精馏段平均质量流量提馏段液体平均摩尔组成提馏段中液体平均摩尔质量提馏段中液体平均质量流量提馏段蒸汽平均摩尔组成提馏段中液体平均摩尔质量提馏段中液体平均质量流量2.4.3 平均密度气相平均密度计算精馏段蒸汽密度提馏段的蒸汽密度液相平均密度计算 液相平均密度依下列式计算表2.4 不同温度下甲醇和水的密度物质数值 温度/5060708090100水密度/988.04983.20977.77971.79965.31958.36物质数值 温度/20406080100120甲醇密度/804.8783.5761.1737.471

13、2.0684.7塔顶液相平均密度计算 根据表3得,进料板液相平均密度计算 根据表3得,塔底液相平均密度接近水的密度,精馏段液相平均密度：提馏段液相平均密度;2.4.4 液体平均表面张力液相平均表面张力依下式计算： 塔顶液相平均表面张力计算查手册得,进料板液相平均表面张力计算查手册得,釜底液相平均表面张力接近水的表面张力,查得精馏段液相平均表面张力：提馏段液相平均表面张力;2.4.5精馏塔各段物性参数汇总1塔顶、进料板、塔釜数据结果汇总： 表2.5 塔顶、进料板、塔釜的物性参数项目MLkg/kmol MVkg/kmolkg/m3mPa.smN/m塔顶31.5231.91756.520.33017

14、.24进料板21.5426.21868.970.34150.695塔釜18.1718.65959.790.28859.27 精馏段、提馏段数据结果： 表2.6 精馏段、提馏段的物性参数符号MLmkg/kmol MVmkg/kmolkg/m3kg/m3mPa.smN/m液相/气相质量流量kg/h液相/气相摩尔流量kmol/h精馏段26.5329.06812.751.030.33633.9681904.35/3207.4471.781/110.373提馏段19.8622.43962.400.760.31554.9833577.72/2475.67180.147/110.3732.5热量衡算2.5.

15、1加热介质和冷却剂加热介质的选择 常用的加热介质有饱和水蒸气和烟道气。烟道气适用于高温加热,加热温度控制困难,故不采用。饱和水蒸气冷凝时的传热膜系数很高,可以通过改变蒸汽压力准确的控制加热温度。本次任务选用0.5MPa温度为151.7的饱和水蒸气作加热介质,水蒸气易获得,清洁干净,不会腐蚀管道。 冷却剂的选择常用的冷却剂是水和空气。选用20的冷却水,升温20,即冷却水出口温度为40。2.5.2冷凝器的热负荷冷凝器的热负荷计算公式：,其中IVD,ILD分别为塔顶上升蒸汽和塔顶馏出液的焓,kcal/kmol,其中分别为甲醇和水的蒸发潜热,kcal/kmol。表2.7 沸点下各部分数据符号沸点/蒸发

16、潜热/kcal/kmolTc/K甲醇64.658430512.6水1009729647.3 蒸发潜热与温度的关系：,其中Tr为对比温度 由沃森公式3,4计算塔顶温度下的潜热：=64.6时,对甲醇, 蒸发潜热 对水,同理得,=0.52178,=0.57647, 蒸发潜热 ,对全凝器做热量衡算忽略热量损失：2.5.3冷却介质的消耗量2.5.4加热器的热负荷及全塔热量衡算 甲醇：=64.6时,Cp=0.72,=79.8时,Cp=0.768,=98.0时,Cp=0.825 Cp精=0.744,Cp提=0.797 水：=64.6,=79.8,=98.0时,Cp水=1 计算得：D=31.5238.592=

17、1216.42kg/h,W=18.1769.774=1267.79kg/h 对全塔进行热量衡算,以进料焓即79.8时焓值为基准进行计算： 设塔釜的效率,则, 其中：加热器理想热负荷,加热器实际热负荷,塔顶馏出液带出热量,塔底带出热量, 0.65MPa下的饱和水蒸气的汽化热 加热蒸汽消耗量： 表2.8 热量衡算数据表项目Qc/kcal/hWc/kg/hQF/kcal/hQD/kcal/hQW/kcal/hQs/kcal/hWh/kg/h数值8.741054.371040-13782229859.8210519932.6填料2.6.1填料选取填料是填料塔的核心构件,它提供了气液两相相接触的传质与传

18、热表面,与塔内件一起决定了填料塔的性质。目前,填料的开发与应用仍是沿着散装填料与规整填料两个方面进行。本次设计选用规整填料,250Y型金属板波纹填料。规整填料在整个塔截面上,几何形状规则、对称、均匀。它规定了气液流路,改善了沟流和壁流现象,压降可以很小。同时与散装填料相比它可以提供更大的比表面积,在同等溶剂中可以达到更好的传质、传热效果5,6。250Y型板波纹填料是最早研制并应用于工业生产的板波填料,通过多年的研究及工业应用表明,它有以下特点7：第一、比表面积与通用散装填料相比,提高近一倍,压降较低,通量和传质效率均有较大幅度提高。第二、与各种通用板式塔相比,不仅传质面积大幅度提高,而且全塔压

19、降及效率有很大改善。第三、工业生产中气液均可能带入第三相物质,导致散装填料及某些板式塔无法维持操作,鉴于250型填料整齐的几何结构,显示出良好的抗堵性能,因而能在某些散装填料塔或板式塔不适宜的场合使用,扩大了填料塔的应用范围。第四、该填料甚至能在高压下保持良好的传质性能,充分显示出其通用特性。故本设计采用瑞士苏尔寿的250Y型金属板波纹填料,牌号Mellapak。2.6.2填料层高度一、精馏段 空塔气速的计算泛点气速是填料塔操作气速的上限,填料塔的操作空塔气速必须小于泛点气速,操作空塔气速与泛点气速之比称泛点率。对于规整填料,其泛点率的经验值6为泛点气速可用贝恩霍根关联式6来计算,即,其中为泛

20、点气速,为填料总比表面积m2/m3,为填料层空隙率m3/m3,为液相、气相的质量流量kg/h,A,K为关联常数。对250Y型金属板波纹填料,A=0.291,K=1.75,=250m2/m3,=0.97WL=1904.35kg/h,WV=3207.44kg/h,代入上式,得泛点气速：uF=3.84m/s,空塔气速：u=0.6uF=2.3m/s uF取直径为600mm,得70%,符合要求要求直径无法达到要求,故取直径为600mm填料高度、压降的计算气相动能因子 ,查填料手册6,得每米填料压降：,每米填料理论级数：NTSM=2.5,精馏段填料高度：精馏段总压降：二、提馏段 空塔气速的计算 其他数据不

21、变,提馏段数据如下： WL=3577.72kg/h,WV=2475.67kg/h, 代入上式,得泛点气速：uF=4.28m/s,空塔气速：u=0.6uF=2.57m/s70%,符合要求 填料高度、压降的计算气相动能因子 ,查填料手册,得每米填料压降：,每米填料理论级数：NTSM=2.5提馏段填料高度：提馏段总压降：2.6.3全层填料压降、高度 总压降：, 设计高度：取一定的安全系数,一般250Y型金属孔板波纹规整填料分段高度应小于1520块理论板,且每段金属填料高度不超过67.5m,此填料塔高度小于推荐值,各可不用分段表2.9 填料层参数汇总参数精馏段提馏段全塔空塔气速/m/s2.302.57

22、气相动能因子/2.332.24每米填料压降/Pa.m140138278总压降/Pa280276556填料层高度/m224第三章 精馏塔的结构设计本次设计的DN600甲醇回收塔的具体结构包括内径为600mm的精馏塔筒体、内径为1000mm的再沸器筒体及内径为1000mm的裙座三大部分组成。精馏塔部分包括精馏段和提馏段,包括除沫器、液体分布器、填料压板、填料支撑板,筒体上设有手孔、温度计孔,回流管,进料管和气体进出口等内件和结构。再沸器主要是加热料液,提供蒸馏所需能量等作用,其结构主要有加热盘管,物料进出 口,温度计口,手孔,釜底液体出料孔等组成。裙座形式根据承受载荷情况不同,可分为圆筒形和圆锥形

23、两类,当塔高和塔径比达到某一特定值时DN25,或DN1m,且H/DN30,为防止风载或地震载荷引起的弯矩造成塔侧翻,就只能圆锥形结构,本次设计数值未达到此临界值,故采用了圆筒形,其上主要结构有裙座筒体、基础环、地脚螺栓座,人孔、排气孔等。示意图如下所示。图3.1 精馏塔总体结构示意图3.1附属设备及主要附件3.1.1塔底再沸器 再沸器直径D为1000mm,采用内置盘管加热,设计压力为0.6MPa,设计温度158,介质为水蒸气,取0.5MPa下饱和水蒸气,其温度为151.7。取传热系数K=2000kcal/m2.h.塔釜产品温度：, 热流体温度：,逆流操作,传热面积：蒸汽压0.5MPa下,蒸汽的

24、比体积为0.375m3/kg,前面已算得加热蒸汽消耗量,选择蒸汽流速为30m/s,因此：,所以盘管的直径为d为1023mm。取盘管的盘绕直径为,取圈数n=13取盘绕后的管间距为36mm,因此盘管的垂直高度为：再沸器盘管到精馏塔塔体需有一段距离,上下空间分别取为0.4m、0.2m,因此再沸器的高度为2.4m。3.2塔内件设计3.2.1液体分布器填料塔的液体喷淋装置是十分重要的,它直接影响到塔内填料表面有效利用率。喷淋装置的结构形式很多,目前工业应用的有管式喷淋器、莲蓬式喷淋器、冲击式淋洒器等。对直径稍大的填料塔例如1200mm以下可以采用环管多孔喷洒器。环状管的下面开有小孔,小孔直径为48mm,

25、共有35排,小孔面积总和约与管截面积相等,环管中心圆直径D1一般为塔径DN的60%80%。环管多孔喷洒器的优点是结构简单,制造和安装方便,但缺点是喷洒面积小,不够均匀,而且液体要求清洁,否则小孔易堵塞。图3.2 环管多孔喷洒器回流液分布器：D1取60%的DN,D1=360mm,小孔直径取6mm,采用三排小孔,环形分布小孔面积总和约与管截面积相等,故,进料液分布器：D1取60%的DN,D1=360mm,小孔直径取6mm,采用三排小孔,环形分布小孔面积总和约与管截面积相等,故,3.2.2填料支撑装置 填料支撑装置的作用是支撑塔内的填料。这里采用波纹板网支撑板,板网支撑结构简单,重量轻,自由截面大。

26、该支撑板用金属板网按规定尺寸压制成波纹形状,然后放入扁钢圈内焊接固定而成。网孔尺寸是根据最小填料的支撑要求确定的,为了不使填料卡在孔内,网孔尺寸应小于填料外径的0.60.8。当塔径D300mm时,最小填料为,塔径时,最小填料为。其主要参数如下：表3.1 填料支撑装置主要设计参数6塔径D/mm板外径D1/mm板高/mm近似重量/N6005944072图3.3 波纹板网支撑板3.2.3除沫器设计 为了减少由于塔顶雾沫夹带严重造成的物料损失,确保气体的纯度以及对环境的保护,需要在塔顶设置除沫器。最常用的除沫装置有丝网除沫器、折流板式除沫器以及旋流板除沫器。本次设计中为清洁介质,可采用丝网除沫器,其具

27、有比表面积大、空隙率大、结构简单、使用方便以及除沫效率高、压力降小等优点。本次设计的塔径为DN600,根据标准HG21618-1998,在DN300600范围内,故选用上装式丝网除沫器。选取不锈钢标准型除沫器8,气液过滤网型式为SP型,其堆积密度为168kg/m3,空隙率为97.88%,比表面积为529.6m2/m3,材料选择不锈钢0Gr18Ni9,丝网尺寸为圆丝,丝网H为100mm,H1为210mm。 图3.4 上装式丝网除沫器3.2.4床层定位器床层定位器又称床层限制器,用于防止高气速高压降或塔的操作突然波动时填料向上移动而造成填料层出现空洞,使传质效率下降。由于规整填料有固定的结构,因而

28、选用的床层定位器较简单,用栅条间距100500mm的栅板即可,栅板圈用厚46mm的扁钢弯制而成,高度50mm左右。对于筒体用法兰连接的小塔,栅板圈周边均布打孔,在孔眼处焊接螺母,用螺钉顶住塔壁并用一螺母锁住,即可将床层定位器固定。图3.5 栅板型床层定位器对于本次设计,由于塔径为600mm,属于小塔,该结构适用。当塔径,床层定位器的外径比塔的内径小1015mm；当时,定位器外径比塔径小2538mm。3.3筒体连接法兰压力容器法兰型式的选择按照标准47004707-200016,此处选择甲型突面密封面法兰,及乙型突面密封面法兰,型式如下：图3.6 A 甲型突面法兰图3.6 B 甲型突面法兰 图3

29、.7 非金属垫片 图3.8 A型等双长头螺柱1精馏筒体与封头连接法兰 根据公称压力PN=1 MPa,精馏段法兰的选取/T4701-2000： 表3.2 筒体法兰尺寸汇总公称直径DN法兰,mm螺柱DD1D2D3D4d规格数量6007306906556456424023M2024其中法兰的材料为Q345R,其在工作温度-20200时,最大允许工作压力为0.65MPa, 该法兰可标记为：法兰-RF 600-0.65 4701-2000 垫片尺寸为：根据/T4704-2000,D=644mm,d=604mm,材料为石棉橡胶垫片,该垫片可标记为：垫片 600-0.65 /T4704-2000螺柱：A型等

30、双长头螺柱根据标准/T4707-2000选取表3.3 A型等双长头螺柱尺寸mm项目尺寸r6d20d220L050公称尺寸L120C2.5单件质量0.250kg螺柱材料选为35,调质处理,该螺柱可标记为：螺柱 M20120-A /T4707-20002再沸器与封头连接法兰 根据公称压力PN=1MPa,再沸器与封头连接法兰的选取/T4702-2000：表3.4 再沸器法兰尺寸汇总公称直径DN法兰,mm螺柱DD1D2D3D4d规格数量1000114011001065105510526223M2040 其中法兰的材料为Q345R,其在工作温度-20200时,最大允许工作压力为1.0MPa,该法兰可标记

31、为：法兰-RF 1000-1.0 4702-2000 垫片尺寸为：根据/T4704-2000,D=1054mm,d=1010mm,材料为石棉橡胶垫片。该垫片可标记为：垫片 1000-1.0 /T4704-2000螺柱：A型等双长头螺柱根据标准/T4707-2000选取表3.5 A型等双长头螺柱mm项目尺寸r6d20d220L050公称尺寸L150C2.5单件质量0.312kg螺柱材料选为35,调质处理,该螺柱可标记为：螺柱 M20150-A /T4707-20003.4塔管径的计算及其法兰的选择一般：液体流速：= 0.11 m/s,蒸汽流速：= 2050m/s3.4.1进料管1进料管直径 取=

32、0.6m/s,取=40mm, 表3.6 进料管尺寸DN内管d1s1外管d2s2R无保温时H1有保温时H240453.58961501201502进料管连接法兰 管法兰型式可根据标准HG2059220635-200910选取 此处根据标准HG20592-2009,选用法兰为板式平焊钢制管法兰PL,密封面型式为突面RF,材料类别号为1C1,碳素钢16Mn标准编号为4726,其在设计温度下的最大允许工作压力为1.0MPa。表3.7 进料管连接法兰尺寸mm项目内管/外管尺寸内管/外管项目内管/外管尺寸内管/外管公称直径DN40/80螺栓孔直径L18/18公称压力P/bar10/10螺栓孔数量n4/8钢

33、管外径B45/89螺纹ThM16/M16法兰外径D150/200法兰厚度C18/20螺栓孔中心圆直径K110/160法兰内径B46/91 法兰理论质量分别为1.5kg和3kg,其中突台高度为2mm, 该法兰可标记为：内管：HG/T20592 法兰 PL50-10 RF 16Mn；外管：HG/T20592 法兰 PL100-10 RF 16Mn。 垫片：根据HG/T20606,选择石棉橡胶板GB/T3985,代号XB350,RF型表3.8 突面法兰用RF型垫片尺寸公称尺寸DN垫片内径D1垫片外径D2垫片厚度T4049921.580891421.5可标记为：HG/TT20606 垫片 RF 50-

34、10 XB350,垫片 RF 80-10 XB350 螺栓：根据HG/T20613-2009,采用六角头螺栓,数量为4个,尺寸分别为M1250,M1660型式如下： 图3.9 接管处板式平焊PL钢制管法兰图3.10 RF型垫片3.4.2回流管1回流管直径 取u=0.4m/s, 圆整后,取=50mm, 表3.9 回流管尺寸DN内管d1s1外管d2s2R无保温时H1有保温时H250573.510861751201502回流管法兰 根据标准HG20592-2009,选用法兰为板式平焊钢制管法兰PL,密封面型式为突面RF,材料类别号为1C1,碳素钢16Mn标准编号为4726,尺寸为：mm表3.10 回

35、流管连接法兰项目内管/外管尺寸内管/外管项目内管/外管尺寸内管/外管公称直径DN50/100螺栓孔直径L18/18公称压力P/bar10/10螺栓孔数量n4/8钢管外径B57/108螺纹ThM16/M16法兰外径D165/220法兰厚度C19/22螺栓孔中心圆直径K125/180法兰内径B59/110法兰理论质量分别为1.5kg和3.5kg,其中突台高度为2mm, 该法兰可标记为：HG/T20592 法兰 PL50-10 RF 16Mn；HG/T20592 法兰 PL100-10 RF 16Mn。 垫片：根据HG/T20606,选择石棉橡胶板GB/T3985,RF型,代号XB350表3.11突

36、面法兰用RF型垫片尺寸公称尺寸DN垫片内径D1垫片外径D2垫片厚度T50611071.51001151621.5 可标记为：HG/TT20606 垫片 RF 50-10 XB350,垫片 RF 100-10 XB350 螺栓：根据HG/T20613-2009,采用六角头螺栓,数量为4个,尺寸分别为M1250,M16603.4.3塔顶蒸汽接管1塔顶管直径 取=30m/s, 圆整后,取=200mm,尺寸为2126mm 2塔顶管法兰 根据标准HG20592-2009,选用法兰为板式平焊钢制管法兰PL,密封面型式为突面RF,材料类别号为1C1,碳素钢16Mn标准编号为4726,尺寸为：mm 表3.12

37、 塔顶蒸汽管连接法兰项目尺寸螺栓孔直径L22公称直径DN200螺栓孔数量n8公称压力P/bar10螺纹ThM20钢管外径B212法兰厚度C24法兰外径D340法兰内径B222螺栓孔中心圆直径K295法兰理论质量/kg7 其中突台高度为2mm,该法兰可标记为：HG/T20592 法兰 PL200-6 RF 16Mn。 垫片：根据HG/T20606,选择石棉橡胶板GB/T3985,代号XB350 表3.13 突面法兰用RF型垫片尺寸公称尺寸DN垫片内径D1垫片外径D2垫片厚度T2002202731.5 可标记为：HG/TT20606 垫片 RF 200-6 XB350 螺栓：根据HG/T20613

38、-2009,采用六角头螺栓,数量为8个,尺寸M16703.4.4再沸器出料接管1出料管直径 取=0.6m/s, 圆整后,取=30mm,尺寸为363mm2出料管法兰 根据标准HG20592-2009,选用法兰为板式平焊钢制管法兰PL,密封面型式为突面RF,材料类别号为1C1,碳素钢16Mn标准编号为4726,尺寸为：mm 表3.14 塔釜出料管连接法兰项目尺寸螺栓孔直径L18公称直径DN32螺栓孔数量n4公称压力P/bar6螺纹ThM16钢管外径B38法兰厚度C18法兰外径D140法兰内径B39螺栓孔中心圆直径K100法兰理论质量/kg1其中突台高度为2mm, 该法兰可标记为：HG/T20592

39、 法兰 PL32-6 RF 16Mn。 垫片：根据HG/T20606,选择石棉橡胶板GB/T3985,代号XB350表3.15 突面法兰用RF型垫片尺寸公称尺寸DN垫片内径D1垫片外径D2垫片厚度T3243821.5 可标记为：HG/TT20606 垫片 RF 200-6 XB350 螺栓：根据HG/T20613-2009,采用六角头螺栓,数量为4个,尺寸M10453.5手孔手孔是小直径填料塔装卸填料之用,在每层填料层的上下方各设置一个手孔,再沸器处也需要设置一个手孔。1精馏筒体处手孔 a手孔的选择 根据标准HG21530-200511,筒体处选择手孔为带颈平焊法兰手孔,公称压力PN1.0MP

40、a,公称直径DN150,密封面型式为突面RF。型式和名称见图3.11和表3.15。 图3.11 板式平焊法兰手孔的型式 表3.16 手孔明细表件号1234567标准编号GB/T8163HG20613HG20594HG20606HG20601GB/T700名称筒节六角头螺栓b螺母法兰非金属平垫片NM法兰盖把手材料类材料20钢管8.8级35CrMoA8级30CrMo16Mn石棉橡胶板XB35016MnQ235-AF 公称压力1.0MPa下,在设计温度下最高无冲击工作压力为0.8MPa,基本符合要求。 上图中,根据标准HG20606,垫片为非金属平垫片,名称代号NM,型式为不带内包边,材质为石棉橡胶

41、板,代号为XB350,垫片圈代号为NM-XB350。 表3.17 筒体手孔尺寸参数表密封面型式突面RFb122公称压力PN/MPa1.0b224公称直径DN/mm150H11601594.5H290D285螺栓、螺母数量8D1240螺栓 直径长度M2085b24总质量/kg25.9该手孔可标记为：手孔b-8.8NM-XB350 150-1.0 HG/T21530-2005 b手孔法兰的选择 与筒体手孔相配的法兰尺寸如下HG2059220635-2009：mm 图3.12 手孔处板式平焊钢制管法兰表3.18 筒体手孔法兰尺寸项目尺寸螺栓孔数量n8公称直径DN150螺纹ThM20公称压力P/bar

42、10法兰厚度C24法兰外径D285法兰内径B170.5螺栓孔中心圆直径K240钢管外径A168.3螺栓孔直径L22法兰理论质量/kg5其中突台高度为2mm。同理,手孔的法兰盖盲板法兰尺寸相配法兰 其型式为： 图3.13 法兰盖 法兰处垫片：根据HG/T20606,选择石棉橡胶板GB/T3985,代号XB350表3.19 突面法兰用RF型垫片尺寸公称尺寸DN垫片内径D1垫片外径D2垫片厚度T1501692181.5 可标记为：HG/TT20606 垫片 RF 150-10 XB350 螺栓：根据HG/T20613-2009,采用六角头螺栓,数量为8个,尺寸M20852再沸器处手孔a手孔的选择再沸

43、器处根据标准HG21529-2005选择手孔为板式平焊法兰手孔,公称压力PN1.0MPa,公称直径DN250,密封面型式为突面RF。表3.20 再沸器手孔尺寸表密封面型式突面RFb124公称压力PN/MPa1.0b226公称直径DN/mm250H11902738H292D395螺栓、螺母数量12D1350螺栓 直径长度M2090b26总质量/kg51.1 该手孔可标记为：手孔b-8.8NM-XB350 250-1.0 HG/T21530-2005 b手孔法兰的选择 与再沸器手孔相配的法兰尺寸如下HG2059220635-2009：mm表3.21 再沸器手孔法兰尺寸项目尺寸螺栓孔数量n12公称直

44、径DN250螺纹ThM20公称压力P/bar6法兰厚度C26法兰外径D395法兰内径B276.5螺栓孔中心圆直径K350钢管外径A273螺栓孔直径L22法兰理论质量/kg9其中突台高度为2mm。 同理,手孔的法兰盖盲板法兰尺寸相配法兰。 法兰处垫片：根据HG/T20606,选择石棉橡胶板GB/T3985,代号XB350 表3.22 突面法兰用RF型垫片尺寸公称尺寸DN垫片内径D1垫片外径D2垫片厚度T2502733281.5 可标记为：HG/TT20606 垫片 RF 250-10 XB350 螺栓：根据HG/T20613-2009,采用六角头螺栓,数量为12个,尺寸M2090。3.6裙座1裙

45、座的结构裙座的结构有圆筒形和圆锥形两种,均由裙座筒体、基础环、地脚螺栓座、人孔、排气孔、引出管通道、保温支撑圈等组成6,8。由于本次设计塔高和高径比未超出临界值,可采用圆筒形裙座。 图3.14 圆筒形裙座2裙座选材由于裙座不与介质直接接触,也不承受塔内介质的压力,因此不受压力容器用材的限制。可选用较经济的普通碳素结构钢。常用的裙座材料有Q235A、Q235AF、Q235B和Q345R。本次任务选用Q235B材料。当塔釜封头为低合金、高合金钢或塔体要进行整体热处理时,裙座顶部应增设与塔釜封头相同材料的短节,以保证塔釜封头与裙座焊接时的封头质量。短节长度一般取保温层厚度的4倍,且不小于500mm。

46、碳钢裙座还需考虑腐蚀裕量,其值不小于2mm。3裙座壳与塔壳的连接裙座壳与塔壳的连接采用焊接,接头形式有对接和搭接结构。这里采用对接接头,因此需保证裙座壳的外径宜于相连接的塔壳封头外径相等,裙座壳与相连接塔壳封头的连接焊缝应采用全焊透连续焊。 图3.15 裙座与塔壳对接焊缝4检查孔裙座应开设检查孔,检查孔分圆形和长圆形两种。对再沸器直径D等于1000mm,圆形孔外径D取450mm,数量为2个,M为250,中心高H取900mm12,13。 图3.16 检查孔5排气孔塔设备运行过程中有可能有气体逸出,积聚在裙座与塔底封头之间。若该气体易爆、有毒或腐蚀,对进入裙座的检修人员造成伤害,因此必须在裙座上部

47、设置排气管或排气孔。对无保温层的裙座上部应均匀设置排气孔。根据设计任务,再沸器直径D为1000mm,排气孔尺寸为mm,数量为2个,排气孔中心线至裙座壳顶端的距离为140mm12,13。 图3.17 排气孔 6引出孔 塔式容器底部引出管一般需伸出裙座壳外。引出管外径d为36mm,引出孔的加强管为无缝钢管mm。引出管或引出孔加强管上应焊支撑板支撑,且应留有间隙c,以满足热膨胀的需要。间隙,为介质温度与20间的平均线膨胀系数,为介质温度与20之差。查标准HG20652-98塔器设计技术规定,在题设条件下c为1.5mm9,13。 图3.18 引出管、支撑板示意图第四章 精馏塔的强度计算 已知精馏塔设计

48、压力为0.65MPa,设计温度为105；再沸器管内压力为0.6MPa,设计温度为158。4.1厚度计算4.1.1塔壳和封头材料筒体和封头的材料选用Q245R,裙座为Q235B。材料性能：Q235B：钢板标准GB3274,在厚度4 16mm时,查表,用内差法得许用应力为113MPaQ245R：钢板标准GB713,在厚度,查表,用内差法得许用应力为146.3MPa14。4.1.2塔壳和再沸器的厚度1筒体部分的计算厚度：取腐蚀裕量C2=1mm,厚度负偏差C1=0,设计厚度名义厚度对碳素钢、低合金钢制的容器,规定了不包括腐蚀裕量的最小厚度,再根据钢材的标准规格,取名义厚度。2再沸器部分的计算厚度：,取

49、腐蚀裕量C2=1mm,厚度负偏差C1=0,设计厚度名义厚度4.1.3封头的厚度封头采用标准椭圆形封头,此时的应力增强系数K=11筒体部分的封头计算厚度：同上理,由钢材的标准规格,取名义厚度,查标准/T4746-2002,根据筒体直径600mm,选取封头的公称直径DN=600mm,曲面高度h1=150mm,直边高度h2=25mm,内表面积 A=0.436m2,容积V=0.0352m3,质量M=21.2kg14,22。 2再沸器部分的封头计算厚度：同上理,取名义厚度根据再沸器直径为1000mm,选取封头的公称直径为DN=1000mm,曲面高度h1=250mm,直边高度h2=25mm,内表面积A=1

50、.1625m2,容积V=0.1505m3,质量M=53.78kg14,22。4.1.4裙座厚度裙座部分的计算厚度：同上理,由钢材的标准规格,取名义厚度。4.2开孔补强由于各种工艺和结构上的要求,不可避免的要在容器上开孔并安装接管。开孔以后,除削弱器壁的强度外,在壳体和接管的连接处,因结构的连续性被破坏,会产生很高的局部应力,给容器的安全操作带来隐患,因此压力容器设计必须充分考虑开孔的补强问题。精馏塔上主要开孔处有回流管、进料管、塔顶出气管、再沸器出料管、DN150的手孔和DN250的手孔,根据GB150钢制压力容器,当壳体开孔满足如下要求时,可不另行补强,即：1设计压力小于等于2.5MPa；2

51、两相邻开孔的中心间距不小于两孔直径之和的两倍；3接管公称外径小于等于89mm；4接管最小壁厚满足下表要求。 接管公称外径253238454857657689最小壁厚3.54.05.06.0由于进料管和出料管满足如上要求,故可不另行补强,因此下面只对回流管、塔顶出气管、两个手孔出的开孔进行补强计算。1回流管 a所需最小补强面积：采用等面积补强法计算,对受内压的圆筒,所需要的补强面积A为 ,式中：A开孔削弱所需要的补强面积,mm2； d开孔直径,圆形孔等于接管内直径加2倍厚度附加量,d=96mm；壳体开孔处的计算厚度,=1.58mm；接管有效厚度,；强度削弱系数,等于设计温度下接管材料与壳体材料许

52、用应力之比,当该值大于1时,取为1,。 A=152mm2.。 b有效补强范围 在壳体上开孔处的最大应力在孔边,并随离孔边距离的增加而减少。如果在离孔边一定距离的补强范围内,加上补强材料,可有效降低应力水平。 有效宽度, 式中,壳体开孔处的名义厚度,为6mm；接管名义厚度,为6mm。外侧高度,内侧高度c补强范围内补强金属面积Ae A1壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积； A2接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积； A3有效补强区内焊缝金属的截面积；壳体开孔处的有效厚度,为5mm；接管计算厚度,2mm。 暂时不计焊缝面积,由于Ae=A1+A2+A3A,所以理论计算上开孔后不需要另行补强。 d

53、补强材料一般与壳体材料相同,若补强材料许用应力小于壳体材料许用应力,则补强面积按壳体材料与补强材料许用应力之比增加,相反,补强面积不得减少。 2塔顶蒸汽管同理,计算步骤如上,计算结果如下：A=316mm2,B=400mm,h1=35mm,A1=612mm2,A2=210mm2,A3不计,Ae=A1+A2+A3A,所以理论计算上开孔后不需要另行补强。 3DN150手孔 计算步骤同1,计算结果如下：A=237mm2,B=300mm,h1=26mm,A1=462mm2,A2=156mm2,A3不计, Ae=A1+A2+A3A,所以理论计算上开孔后不需要另行补强。 4DN250手孔 计算步骤同1,计算结果如下：A=406mm2,B=514mm,h1=45mm,A1=771mm2,A2=270mm2,A3不计,Ae=A1+A2+A3A,所以理论计算上开孔后不需要另行补强。 实际上出于安全考虑,一般通常的做法是加一倍孔径的补强圈。4.3自振周期4.3.1 精馏塔各部分高度汇总：1筒体封头H1=150mm；2筒体高度H2：a 精馏段和提馏段5m,填料压板110m,除沫器高度210mm,回流管的喷淋高度173mm,喷头高42mm,弯管弯曲半径175mm,喷头上方空隙180mm,进料管的喷淋高度173mm,喷头高42mm,弯管弯曲半径150mm,喷头上方空隙180mm,b 筒